Els descobriments de la virologia podrien canviar la biologia

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Els virus són criatures minúscules però "increïblement poderoses" sense les quals no podríem sobreviure. La seva influència en el nostre planeta és innegable. És fàcil trobar-los, els científics continuen identificant tipus de virus desconeguts. Però quant sabem d'ells? Com sabem quina investigar primer?

El coronavirus SARS-CoV-2 és només un dels diversos milions de virus que viuen al nostre planeta. Els científics estan identificant ràpidament molts tipus nous.

Maya Breitbart ha buscat nous virus als tèrmiters africans, les foques antàrtiques i el mar Roig. Però, com va resultar, per trobar realment qualsevol cosa, només havia de mirar el jardí de casa seva a Florida. Allà, al voltant de la piscina, es poden trobar aranyes teranyines de l'espècie Gasteracantha cancriformis.

Tenen un color brillant i uns cossos blancs arrodonits, on es noten taques negres i sis espines escarlatas, semblants a una arma estranya de l'edat mitjana. Però dins dels cossos d'aquestes aranyes, Maya Brightbart va tenir una sorpresa: quan Brightbart, un expert en ecologia viral a la Universitat del Sud de Florida a St. desconegut per a la ciència.

Com sabeu, des de l'any 2020, nosaltres, la gent comuna, només estem preocupats per un virus especialment perillós conegut per tothom ara, però hi ha molts altres virus que encara no s'han detectat. Segons els científics, uns 10³¹diferents partícules virals, que és deu mil milions de vegades el nombre aproximat d'estrelles de l'univers observable.

Ara està clar que els ecosistemes i els organismes individuals depenen dels virus. Els virus són criatures minúscules, però increïblement poderoses, van accelerar el desenvolupament evolutiu durant milions d'anys, amb la seva ajuda es va dur a terme la transferència de gens entre organismes hostes. Viuen als oceans del món, els virus van disseccionar microorganismes, llançant el seu contingut al medi aquàtic i enriquint la xarxa tròfica amb nutrients. "No hauríem sobreviscut sense virus", diu el viròleg Curtis Suttle de la Universitat de la Colúmbia Britànica a Vancouver, Canadà.

El Comitè Internacional de Taxonomia de Virus (ICTV) va trobar que actualment hi ha 9.110 tipus diferents de virus al món, però òbviament aquesta és una petita fracció del seu total. Això es deu en part al fet que la classificació oficial dels virus en el passat requeria que els científics conreessin el virus a l'organisme hoste o a les seves cèl·lules; aquest procés requereix molt de temps i de vegades sembla poc realista complicat.

La segona raó és que en el curs de la investigació científica, l'èmfasi va ser a trobar aquells virus que causen malalties en humans o en altres organismes vius que tenen un cert valor per als humans, per exemple, es tracta d'animals de granja i cultius.

No obstant això, tal com ens va recordar la pandèmia del covid-19, és important estudiar els virus que es poden transmetre d'un organisme hoste a un altre, i aquesta és precisament l'amenaça per als humans, així com per als animals domèstics o els cultius.

Durant l'última dècada, el nombre de virus coneguts s'ha disparat a causa de les millores en la tecnologia de detecció, i també a causa d'un canvi recent en les regles d'identificació de nous tipus de virus, que va permetre detectar virus sense necessitat de cultivar-los amb un organisme hoste.

Un dels mètodes més comuns és la metagenòmica. Permet als científics recollir mostres de genomes del medi ambient sense necessitat de conrear-les. Les noves tecnologies, com ara la seqüenciació de virus, han afegit més noms de virus a la llista, inclosos alguns que estan sorprenentment estesos, però encara estan en gran part ocults als científics.

"Ara és un bon moment per fer aquest tipus d'investigació", diu Maya Brightbart. - Crec que en molts aspectes ara és el moment del viroma [virome - la col·lecció de tots els virus que són característics d'un organisme individual - aprox.] ".

Només el 2020, ICTV va afegir 1.044 espècies noves a la seva llista oficial de virus, amb milers de virus més pendents de descripció i fins ara sense nom. L'aparició d'una varietat tan gran de genomes va impulsar els viròlegs a repensar la manera com es classifiquen els virus i va ajudar a aclarir el procés de la seva evolució. Hi ha proves sòlides que els virus no es van originar d'una única font, sinó que es van produir diverses vegades.

No obstant això, la veritable mida de la comunitat viral mundial és en gran mesura desconeguda, segons el viròleg Jens Kuhn, de l'Institut Nacional d'Al·lèrgies i Malalties Infeccioses dels Estats Units (NIAID) a Fort Detrick, Maryland: "Realment no tenim ni idea que hi estigui passant".

A tot arreu i a tot arreu

Qualsevol virus té dues propietats: en primer lloc, el genoma de cada virus està tancat en una capa proteica i, en segon lloc, cada virus utilitza un organisme hoste estranger, ja sigui un home, una aranya o una planta, per a la seva reproducció. Però hi ha innombrables variacions en aquest esquema general.

Per exemple, els circovirus petits només tenen dos o tres gens, mentre que els mimivirus massius, que són més grans que alguns bacteris, tenen centenars de gens.

Per exemple, hi ha bacteriòfags que són una mica semblants als aparells per aterrar a la Lluna: aquests bacteriòfags infecten bacteris. I, per descomptat, avui dia tothom sap sobre les boles assassines taconades d'espines, les imatges de les quals ara potser són dolorosament familiars per a totes les persones de qualsevol país del món. I els virus també tenen aquesta característica: un grup de virus emmagatzema el seu genoma en forma d'ADN, mentre que l'altre - en forma d'ARN.

Fins i tot hi ha un bacteriòfag que utilitza un alfabet genètic alternatiu, en el qual la base nitrogenada A en el sistema canònic ACGT es substitueix per una altra molècula designada per la lletra Z [la lletra A significa la base nitrogenada "adenina", que forma part de la base nucleica. àcids (ADN i ARN); ACGT- bases nitrogenades que formen l'ADN, a saber: A - adenina, C - citosina, G - guanina, T - timina, - aprox. transl.].

Els virus són tan omnipresents i curiosos que poden aparèixer encara que els científics no els busquen. Així, per exemple, Frederik Schulz no tenia cap intenció d'estudiar virus, la seva àrea d'investigació científica és la seqüència de genomes de les aigües residuals. Com a estudiant de postgrau a la Universitat de Viena, Schultz va utilitzar la metagenòmica per trobar bacteris el 2015. Amb aquest enfocament, els científics aïllen l'ADN d'una sèrie d'organismes, els trituren en petits trossos i els seqüencien. A continuació, un programa informàtic reuneix genomes individuals a partir d'aquestes peces. Aquest procediment recorda el muntatge de diversos centenars de trencaclosques alhora a partir de fragments separats barrejats entre si.

Entre els genomes bacterians, Schultz no va poder evitar notar una gran part del genoma viral (aparentment perquè aquest tros tenia gens d'embolcall viral), que incloïa 1,57 milions de parells de bases. Aquest genoma viral va resultar ser un gegant, formava part d'un grup de virus, els membres dels quals són virus gegants tant en mida del genoma com en dimensions absolutes (normalment 200 nanòmetres o més de diàmetre). Aquest virus infecta amebes, algues i altres protozous, afectant així els ecosistemes aquàtics, així com els ecosistemes terrestres.

Frederick Schultz, ara microbiòleg del Joint Genome Institute del Departament d'Energia dels EUA a Berkeley, Califòrnia, va decidir buscar virus relacionats a les bases de dades metagenòmica. El 2020, en el seu article, Schultz i els seus col·legues van descriure més de dos mil genomes del grup que conté virus gegants. Recordem que anteriorment, només s'incloïen 205 genomes d'aquest tipus a les bases de dades disponibles públicament.

A més, els viròlegs també havien de mirar dins del cos humà a la recerca de noves espècies. L'especialista en bioinformàtica de virus Luis Camarillo-Guerrero, juntament amb col·legues de l'Institut Senger de Hinkston (Regne Unit), van analitzar metagenomes intestinals humans i van crear una base de dades que conté més de 140.000 espècies de bacteriòfags. Més de la meitat d'ells eren desconeguts per la ciència.

L'estudi conjunt dels científics, publicat al febrer, va coincidir amb les troballes d'altres científics que un dels grups més comuns de virus que infecten els bacteris intestinals humans és un grup conegut com a crAssphage (anomenat així pel programa d'assemblatge creuat que el va descobrir el 2014).. Malgrat l'abundància de virus representats en aquest grup, els científics saben poc sobre com els virus d'aquest grup participen en el microbioma humà, diu Camarillo-Guerrero, que ara treballa per a l'empresa de seqüenciació d'ADN Illumina (Illumina es troba a Cambridge, Regne Unit).

La metagenòmica ha descobert molts virus, però al mateix temps, la metagenòmica ignora molts virus. En els metagenomes típics, els virus d'ARN no estan seqüenciats, de manera que el microbiòleg Colin Hill de la Universitat Nacional Irlandesa de Cork, Irlanda, i els seus col·legues els van cercar a bases de dades d'ARN anomenades metatranscripcions.

Els científics solen fer referència a aquestes dades quan estudien gens en una població, és a dir. aquells gens que es converteixen activament en ARN missatger [l'ARN missatger (o ARNm) també s'anomena ARN missatger (ARNm) - aprox. transl.] implicats en la producció de proteïnes; però també s'hi poden trobar els genomes dels virus ARN. Utilitzant tècniques computacionals per extreure seqüències de dades, l'equip va trobar 1.015 genomes virals en metatrancriptomes a partir de mostres de llim i aigua. Gràcies al treball dels científics, la informació sobre virus coneguts ha augmentat significativament després que només aparegués un article.

Gràcies a aquests mètodes, és possible recollir accidentalment genomes que no existeixen a la natura, però per evitar-ho, els científics han après a utilitzar mètodes de control. Però també hi ha altres debilitats. Per exemple, és extremadament difícil aïllar certs tipus de virus amb una gran diversitat genètica, ja que és difícil que els programes informàtics ajuntin seqüències gèniques diferents.

Un enfocament alternatiu és seqüenciar cada genoma viral per separat, tal com fa el microbiòleg Manuel Martínez-García de la Universitat d'Alacant a Espanya. Després de passar aigua de mar per filtres, va aïllar alguns virus específics, va amplificar el seu ADN i va procedir a la seqüenciació.

Després del primer intent, va trobar 44 genomes. Va resultar que un d'ells és un tipus d'un dels virus més comuns que viuen a l'oceà. Aquest virus té una diversitat genètica tan gran (és a dir, els fragments genètics de les seves partícules virals són tan diferents en diferents partícules virals) que el seu genoma no ha aparegut mai en la investigació de metagenòmica. Els científics la van anomenar "37-F6" per la seva ubicació en un plat de laboratori. No obstant això, va fer broma Martínez-Garcia, donada la capacitat del genoma d'amagar-se a la vista, hauria d'haver rebut el nom de 007 en honor al superagent James Bond.

Arbres genealògics de virus

Aquests virus oceànics, tan secrets com James Bond, no tenen un nom llatí oficial, igual que la majoria dels milers de genomes virals descoberts durant l'última dècada mitjançant metagenòmica. Aquestes seqüències genòmiques van plantejar una pregunta difícil per a ICTV: és suficient un genoma per anomenar el virus? Fins al 2016, existia l'ordre següent: si els científics proposaven algun nou tipus de virus o grup taxonòmic per a ICTV, llavors, amb rares excepcions, era necessari proporcionar en cultiu no només aquest virus, sinó també l'organisme hoste. Però el 2016, després d'un intens debat, els viròlegs van acordar que un genoma seria suficient.

Van començar a arribar aplicacions per a nous virus i grups de virus. Però les relacions evolutives entre aquests virus de vegades no han estat clares. Els viròlegs solen classificar els virus en funció de la seva forma (per exemple, "llarg", "prim", "cap i cua") o segons els seus genomes (ADN o ARN, de cadena simple o doble), però aquestes propietats ens diuen sorprenentment poc. sobre el seu origen comú. Per exemple, els virus amb genomes d'ADN de doble cadena sembla que s'han originat en almenys quatre situacions diferents.

La classificació inicial dels virus de l'ICTV (que implica que l'arbre dels virus i l'arbre de les formes de vida cel·lular existeixen separades entre si) incloïa només els passos inferiors de la jerarquia evolutiva, que van des d'espècies i gèneres fins al nivell que, segons la classificació de la vida pluricel·lular, és equivalent a primats o coníferes. No hi havia nivells més alts de la jerarquia evolutiva dels virus. I moltes famílies de virus existien aïllades, sense cap enllaç amb altres tipus de virus. Així, el 2018, ICTV va afegir nivells d'ordre més alts per classificar virus: classes, tipus i regnes.

Al capdavant de la classificació de virus, l'ICTV va posar grups anomenats "regnes" (regnes), que són anàlegs de "dominis" per a les formes de vida cel·lular (bacteris, arquees i eucariotes), és a dir. ICTV va utilitzar una paraula diferent per distingir entre els dos arbres. (Fa uns quants anys, alguns científics van suggerir que alguns virus probablement podrien encaixar a l'arbre de les formes de vida cel·lular; però aquesta idea no ha rebut una aprovació generalitzada.)

ICTV ha esbossat les branques de l'arbre del virus i ha assignat virus d'ARN a una regió anomenada Riboviria; per cert, part d'aquesta àrea és el virus SARS-CoV-2 i altres coronavirus, els genomes dels quals són ARN monocatenari. Però aleshores la vasta comunitat de viròlegs va haver de proposar grups taxonòmics addicionals. Succeeix que el biòleg evolutiu Eugene Koonin, del Centre Nacional d'Informació Biotecnològica de Bethesda, Maryland, va reunir un equip de científics per trobar una primera manera de classificar els virus. Amb aquesta finalitat, Kunin va decidir analitzar tots els genomes virals, així com els resultats dels estudis sobre proteïnes virals.

Van reorganitzar la comarca de la Ribovíria i van proposar tres regnes més. Hi ha hagut controvèrsies sobre alguns dels detalls, va dir Kunin, però el 2020 la sistematització va ser aprovada pels membres d'ICTV sense gaires dificultats. Dos regnes més van rebre llum verda el 2021, segons Kunin, però és probable que els quatre originals segueixin sent els més grans. Al final, suggereix Kunin, el nombre de regnes podria arribar a ser de 25.

Aquesta xifra confirma la sospita de molts científics: els virus no tenen un avantpassat comú. "No hi ha un únic progenitor per a tots els virus", diu Kunin. "Simplement no existeix". Això vol dir que probablement els virus han aparegut diverses vegades al llarg de la història de la vida a la Terra. Per tant, no tenim cap raó per dir que els virus no poden tornar a aparèixer. "A la natura estan apareixent nous virus constantment", diu el viròleg Mart Krupovic de l'Institut Pasteur de París, que ha participat tant en la presa de decisions de l'ICTV com en el treball de recerca del grup Kunin sobre sistematització.

Els viròlegs tenen diverses hipòtesis sobre les causes dels regnes. Potser els regnes es van originar a partir d'elements genètics independents als albors de la vida al planeta Terra, fins i tot abans que es formessin les cèl·lules. O potser van deixar cèl·lules senceres, "escapaven" d'elles, abandonant la majoria dels mecanismes cel·lulars per mantenir la seva existència en un nivell mínim. Kunin i Krupovich estan a favor de la hipòtesi híbrida, segons la qual aquests elements genètics primaris "van robar" el material genètic de la cèl·lula per tal de construir partícules virals. Com que hi ha moltes hipòtesis sobre l'origen dels virus, és molt possible que hi hagi moltes maneres de la seva aparició, diu el viròleg Jens Kuhn, que va treballar al comitè de l'ICTV en una proposta per a una nova sistematització dels virus.

Malgrat que els arbres vírics i cel·lulars són diferents, les seves branques no només es toquen, sinó que també intercanvien gens. Llavors, on s'han de classificar els virus: animats o inanimats? La resposta depèn de com definiu "viu". Molts científics no consideren que el virus sigui un ésser viu, mentre que altres no estan d'acord. "Tendeixo a creure que estan vius", diu el científic bioinformàtic Hiroyuki Ogata, que està investigant virus a la Universitat de Kyoto al Japó. “Evolucionen, tenen material genètic fet d'ADN i ARN. I són un factor molt important en l'evolució de tots els éssers vius".

La classificació actual és àmpliament acceptada i representa el primer intent de generalitzar la varietat de virus, tot i que alguns viròlegs creuen que és una mica imprecisa. Una dotzena de famílies de virus encara no tenen connexió amb cap regne. "La bona notícia és que estem intentant posar almenys una mica d'ordre en aquest embolic", afegeix el microbiòleg Manuel Martínez-Garcia.

Van canviar el món

La massa total de virus que viuen a la Terra equival a 75 milions de balenes blaves. Els científics confien que els virus afecten les xarxes tròfiques, els ecosistemes i fins i tot l'atmosfera del nostre planeta. Segons l'especialista en virologia ambiental Matthew Sullivan de la Universitat Estatal d'Ohio a Columbus, els científics descobreixen cada cop més nous tipus de virus, amb els investigadors "descobrint maneres desconegudes anteriorment en què els virus tenen un impacte directe en els ecosistemes". Els científics estan intentant quantificar aquesta exposició viral.

"De moment no tenim cap explicació senzilla dels fenòmens que tenen lloc", diu Hiroyuki Ogata.

Als oceans del món, els virus poden abandonar els seus microbis hostes, alliberant carboni, que serà reciclat per altres criatures que mengen l'interior d'aquests microbis hostes i després alliberen diòxid de carboni. Però més recentment, els científics també han arribat a la conclusió que les cèl·lules que esclaten sovint s'agrupen i s'enfonsen al fons dels oceans del món, unint el carboni de l'atmosfera.

La fusió del permafrost a la terra és la principal font de generació de carboni, va dir Matthew Sullivan, i sembla que els virus ajuden a alliberar carboni dels microorganismes en aquest entorn. El 2018, Sullivan i els seus col·legues van descriure 1.907 genomes virals i els seus fragments recollits durant la descongelació del permafrost a Suècia, inclosos gens per a proteïnes que d'alguna manera poden influir en el procés de desintegració dels compostos de carboni i, possiblement, en el procés de la seva transformació en gasos d'efecte hivernacle..

Els virus també poden influir en altres organismes (per exemple, remenar els seus genomes). Per exemple, els virus porten gens per a la resistència als antibiòtics d'un bacteri a un altre, i les soques resistents als fàrmacs poden eventualment prevaldre. Segons Luis Camarillo-Guerrero, amb el temps, aquesta transferència de gens pot provocar canvis evolutius greus en una població determinada, i no només en bacteris. Així, segons algunes estimacions, el 8% de l'ADN humà és d'origen viral. Així, per exemple, va ser del virus que els nostres avantpassats mamífers van rebre el gen necessari per al desenvolupament de la placenta.

Els científics necessitaran més que els seus genomes per resoldre moltes de les preguntes sobre el comportament dels virus. També cal trobar els hostes del virus. En aquest cas, la pista es pot emmagatzemar en el mateix virus: el virus, per exemple, pot contenir un fragment reconeixible del material genètic de l'hoste en el seu propi genoma.

El microbiòleg Manuel Martínez-Garcia i els seus col·legues han utilitzat la genòmica unicel·lular per identificar microbis que contenen el virus 37-F6 descobert recentment. L'organisme hoste d'aquest virus és el bacteri Pelagibacter, que és un dels organismes marins més estesos i diversos. En algunes regions dels oceans del món, Pelagibacter representa gairebé la meitat de totes les cèl·lules que viuen a les seves aigües. Si el virus 37-F6 desaparegués sobtadament, continua Martínez-Garcia, la vida dels organismes aquàtics es veuria greument alterada.

Els científics han d'esbrinar com canvia el seu amfitrió per obtenir una imatge completa de l'impacte d'un virus en particular, explica l'ecologista evolucionista Alexandra Worden de l'Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) a Kiel, Alemanya. Warden està estudiant virus gegants que porten gens per a una proteïna fluorescent anomenada rodopsina.

En principi, aquests gens també poden ser útils per als organismes hostes, per exemple, amb finalitats com ara transferir energia o transmetre senyals, però aquest fet encara no s'ha confirmat. Per tal d'esbrinar què passa amb els gens de la rodopsina, Alexandra Vorden té previst cultivar l'organisme hoste (hoste) juntament amb el virus per tal d'estudiar el mecanisme de funcionament d'aquesta parella (host-virus), units en un únic complex. - "virocell".

"És només a través de la biologia cel·lular que podeu saber quin és el veritable paper d'aquest fenomen i exactament com afecta el cicle del carboni", afegeix Warden.

A la seva casa de Florida, Maya Brightbart no va conrear virus aïllats de les aranyes Gasteracantha cancriformis, però va aconseguir aprendre una o dues coses sobre ells. Els dos virus desconeguts que es troben en aquestes aranyes pertanyen al grup que Brightbart ha descrit com a "increïble" -i tot a causa dels seus genomes minúsculs: el primer codifica el gen de la capa proteica, el segon - el gen de la proteïna de replicació.

Com que un d'aquests virus només està present al cos de l'aranya, però no a les seves potes, Brightbart creu que, de fet, la seva funció és infectar les preses, que posteriorment són menjades per l'aranya. El segon virus es pot trobar a diverses zones del cos de l'aranya, a la posta d'ous i descendència, per la qual cosa Brightbart creu que aquest virus es transmet de pares a descendència. Segons Brightbart, aquest virus és inofensiu per a l'aranya.

Per tant, els virus són "en realitat els més fàcils de trobar", diu Maya Brightbart. És molt més difícil determinar el mecanisme pel qual els virus afecten el cicle de vida i l'ecologia de l'organisme hoste. Però primer, els viròlegs han de respondre a una de les preguntes més difícils, ens recorda Brightbart: "Com sabem quina investigar d'entrada?"