Nieznane wirusy w miastach. Naukowcy odkryli ich dziesiątki tysięcy

Kluczowe fakty:

• Badacze skoncentrowali się na wirusach RNA. Czym one są?
• Naukowcy skatalogowali wirusy, ale powstały atlas i tak stanowi on jedynie niewielką część tego, co faktycznie występuje wokół nas.
• Jaka liczba zidentyfikowanych wirusów może infekować ludzi i zwierzęta?
• W jakich środowiskach występuje największa różnorodność wirusów?

Za odkryciem stoi międzynarodowy projekt badawczy, w ramach którego naukowcy analizowali materiał pochodzący z różnych elementów miejskiego środowiska. Próbki pobierano między innymi na stacjach metra, w szpitalach i oddziałach banków, ale także z gleby oraz systemów kanalizacyjnych. Do ich analizy wykorzystano techniki badań genetycznych i narzędzie opracowane na Uniwersytecie w São Paulo w Brazylii.

Badania przeprowadzone w 102 miastach ujawniły ponad 40 tys. nowych dla nauki wirusów - informuje pismo "Nature Communications". Poziom ich różnorodności jest znacznie większy, niż sądziliśmy - komentują badacze.

Atlas wirusów RNA

Wyniki badania oparto na analizie 2922 próbek, pobranych w 31 krajach. Międzynarodowy zespół wykorzystał te dane do stworzenia atlasu UPVAtlas (Urban and Peri-urban RNA Virus Atlas - Atlas wirusów RNA w środowiskach miejskich i podmiejskich). Skatalogowano w nim 54 945 gatunków wirusów, z których 77 proc. nie było wcześniej opisanych.

Prace badawcze koncentrowały się na wirusach RNA, które przechowują swoje instrukcje genetyczne w cząsteczkach RNA, a nie w DNA. Wirusy te wywołują szereg chorób, takich jak denga, Zika, grypa, żółta febra czy, w ostatnim czasie, COVID-19. Znaczna część dotychczasowej wiedzy na temat tej grupy wirusów pochodzi właśnie z badań nad tymi schorzeniami.

- Znaliśmy już szereg wirusów wywołujących choroby, jednak nie docenialiśmy różnorodności wirusów występujących w przyrodzie. Jeśli poszukujemy wirusa w kontekście konkretnej choroby, pomijamy wszystkie te wirusy, które nie wywołują chorób. Gdy natomiast analizujemy skład próbki bez takiego założenia, zyskujemy znacznie szerszy obraz - podkreślił Antônio Pedro Camargo, profesor w Katedrze Biochemii Instytutu Chemii Uniwersytetu w São Paulo (IQ-USP) i jeden z autorów badania.

Konsorcjum MetaSUB, które bada mikrobiom środowisk miejskich, zgromadziło większość materiału - 1862 z 2922 próbek. Próbki te zostały pobrane w czasie pandemii, od marca do lipca 2020 roku, zgodnie ze standaryzowanym protokołem. Wymazy pobierano z powierzchni często dotykanych przez ludzi, takich jak poręcze, ławki czy automaty biletowe. Pozostałe próbki pochodzą z publicznej bazy danych i reprezentują różne elementy środowiska miejskiego, w tym glebę, osady, wody słodkie, ścieki oraz obiekty takie jak szklarnie.

Sekwencjonowanie całego zestawu RNA

Materiały poddano analizie metodą metatranskryptomiki, która umożliwia jednoczesne sekwencjonowanie wszystkich cząsteczek RNA obecnych w danej próbce. - Wyobraźmy sobie garść ziemi. Znajdziemy w niej bakterie, wirusy bakteryjne (bakteriofagi), inne mikroorganizmy, owady, co tylko można sobie wyobrazić - opowiadał Camargo. Zamiast izolować każdy organizm z osobna, naukowcy ekstrahują i sekwencjonują cały zestaw RNA obecny w próbce.

W rezultacie uzyskuje się dużą liczbę niezidentyfikowanych fragmentów. - Otrzymujemy mnóstwo fragmentów genomów i początkowo nie wiemy, czym one są. To po prostu sekwencje liter. Wyzwaniem jest ustalenie, do czego odnosi się każdy z tych fragmentów genomu. Czy to bakteria? Wirus? A jeśli wirus, to jakiego typu? - tłumaczył badacz.

Analizę przesiewową przeprowadzono za pomocą geNomad - narzędzia bioinformatycznego opracowanego przez Camargo. Program ten pozwala przetwarzać miliony fragmentów sekwencji materiału genetycznego i określać, które z nich odpowiadają genomom wirusowym.

Aby uporządkować swoje odkrycia, naukowcy porównali sekwencje enzymu obecnego we wszystkich wirusach RNA - polimerazy RNA zależnej od RNA (RdRP), która odpowiada za replikację wirusów, a następnie zrekonstruowali relacje filogenetyczne między nimi. Niektóre sekwencje były tak odmienne od wszystkiego, co opisano wcześniej, że autorzy zaproponowali utworzenie nowych kategorii, aby je sklasyfikować, w tym dwóch typów (phyla), nowej klasy oraz kilku grup niesklasyfikowanych.

Propozycja ma charakter wstępny. - Wszystko opiera się na obliczeniach. Potrzeba więcej danych, aby móc formalnie stwierdzić, że są to rzeczywiście zupełnie nowe grupy - zauważył Camargo.

Zaledwie ułamek rzeczywistości

Badanie ujawniło zaledwie ułamek rzeczywistej różnorodności drobnoustrojów. Krzywe akumulacji, które mierzą liczbę wcześniej nieznanych wirusów pojawiających się wraz z każdą kolejną analizowaną próbką, w zasadzie w żadnym przypadku nie osiągnęły stabilizacji. Świadczy to, że skatalogowane blisko 55 000 wirusów stanowi jedynie niewielką część tego, co faktycznie występuje w tych miejscach.

- Mamy do czynienia ze znacznie większym poziomem różnorodności wirusów, niż dotychczas sądziliśmy. Uważam, że to najważniejszy wniosek płynący z tego artykułu - podkreślił Camargo.

Większość wirusów nie zagraża ludziom

Jak zastrzegają autorzy, odkrycie nie oznacza, że miasta są pełne nowych wirusów zdolnych do wywoływania chorób u ludzi. Jedynie w przypadku około jednej trzeciej sekwencji udało się zidentyfikować potencjalnych gospodarzy, a ponad połowa z nich to wirusy atakujące bakterie.

Nieliczne mogą jednak infekować kręgowce. Porównując uzyskane dane z bazą "Global Virome in One Network" (VIRION), która gromadzi udokumentowane powiązania między wirusami a kręgowcami, autorzy zidentyfikowali 60 wirusów o wysokim prawdopodobieństwie infekowania ludzi oraz 47 wirusów mogących zakażać inne ssaki. Spośród tych 60 wirusów, 19 wykryto w środowisku miejskim, a 34 w próbkach pobranych od zwierząt.

Zidentyfikowano również 166 bakteriofagów, czyli wirusów wyspecjalizowanych w atakowaniu i niszczeniu bakterii. Mogą one infekować cztery szczepy z grupy ESKAPE, do której należą mikroorganizmy o dużym znaczeniu klinicznym, takie jak gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus). Według autorów badania, odkrycie to może stanowić podstawę do dalszych prac nad wykorzystaniem tych wirusów w zwalczaniu wspomnianych patogenów, w ramach metody znanej jako terapia fagowa.

Ścieki wyróżniają się różnorodnością wirusów

Ogólnie rzecz biorąc, na powierzchniach w przestrzeni miejskiej takich jak ulice, placówki bankowe, stacje czy sklepy , odnotowano mniejszą różnorodność wirusów niż w środowiskach naturalnych, na przykład w glebie czy osadach. Zdaniem autorów wskazuje to na fakt, że działalność człowieka prowadzi do ujednolicenia (homogenizacji) tych zbiorowisk. Wyjątek stanowiły ścieki, w których stwierdzono jeden z najwyższych poziomów różnorodności. Fakt ten potwierdza przydatność ścieków w monitoringu środowiskowym.

W próbkach pobranych w placówkach medycznych w São Paulo (Brazylia) oraz Islamabadzie (Pakistan) odnotowano większą liczebność wirusów chorobotwórczych dla kręgowców niż w próbkach z Baltimore (USA) czy Seulu (Korea Południowa).

Camargo zaleca jednak ostrożność w interpretacji tych danych. "Bardzo trudno wyciągnąć z tego jakiekolwiek wnioski biologiczne. Może to być po prostu kwestia sposobu pobierania próbek" - stwierdził. Samo badanie również wskazuje na to ograniczenie - niektóre kraje reprezentowane są tylko przez jedno środowisko, co uniemożliwia rozdzielenie wpływu konkretnej lokalizacji od wpływu danego kraju.