Virologische ontdekkingen kunnen de biologie veranderen

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Virussen zijn kleine maar "ongelooflijk krachtige wezens" zonder welke we niet zouden overleven. Hun invloed op onze planeet is onmiskenbaar. Het is gemakkelijk om ze te vinden, wetenschappers blijven voorheen onbekende soorten virussen identificeren. Maar hoeveel weten we over hen? Hoe weten we welke we eerst moeten onderzoeken?

Het SARS-CoV-2-coronavirus is slechts een van de miljoenen virussen die op onze planeet leven. Wetenschappers identificeren snel veel nieuwe soorten.

Maya Breitbart heeft gezocht naar nieuwe virussen in Afrikaanse termietenheuvels, Antarctische zeehonden en de Rode Zee. Maar om echt iets te vinden, hoefde ze alleen maar in haar eigen tuin in Florida te kijken. Daar, rond het zwembad, vind je wielwebspinnen van de soort Gasteracantha cancriformis.

Ze hebben een felle kleur en ronde witte lichamen, waarop zwarte stippen en zes dieprode doornen te zien zijn, vergelijkbaar met een bizar wapen uit de middeleeuwen. Maar in de lichamen van deze spinnen stond Maya Brightbart voor een verrassing: toen Brightbart, een expert in virale ecologie aan de Universiteit van Zuid-Florida in St. onbekend voor de wetenschap.

Zoals u weet, zijn wij, gewone mensen, sinds 2020 bezig met slechts één bijzonder gevaarlijk virus dat iedereen nu kent, maar er zijn veel andere virussen die nog niet zijn ontdekt. Volgens wetenschappers ongeveer 10³¹verschillende virale deeltjes, wat ongeveer tien miljard keer het aantal sterren in het waarneembare heelal is.

Het is nu duidelijk dat ecosystemen en individuele organismen afhankelijk zijn van virussen. Virussen zijn kleine, maar ongelooflijk krachtige wezens, ze versnelden de evolutionaire ontwikkeling gedurende miljoenen jaren, met hun hulp werd de overdracht van genen tussen gastheerorganismen uitgevoerd. Levend in de oceanen van de wereld, ontleedden virussen micro-organismen, gooiden hun inhoud in het aquatische milieu en verrijkten het voedselweb met voedingsstoffen. "Zonder virussen hadden we het niet overleefd", zegt viroloog Curtis Suttle van de University of British Columbia in Vancouver, Canada.

Het International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) heeft vastgesteld dat er op dit moment 9.110 afzonderlijke soorten virussen in de wereld zijn, maar dit is duidelijk een klein deel van hun totaal. Dit is gedeeltelijk te wijten aan het feit dat wetenschappers in het verleden bij de officiële classificatie van virussen het virus in het gastheerorganisme of zijn cellen moesten kweken; dit proces is tijdrovend en lijkt soms onrealistisch ingewikkeld.

De tweede reden is dat in de loop van wetenschappelijk onderzoek de nadruk lag op het vinden van die virussen die ziekten veroorzaken bij de mens of bij andere levende organismen die van bepaalde waarde zijn voor de mens, het gaat bijvoorbeeld om landbouwhuisdieren en gewassen.

Desalniettemin, zoals de covid-19-pandemie ons eraan herinnerde, is het belangrijk om virussen te bestuderen die van het ene gastheerorganisme naar het andere kunnen worden overgedragen, en dit is precies de bedreiging voor de mens, maar ook voor huisdieren of gewassen.

In de afgelopen tien jaar is het aantal bekende virussen enorm gestegen als gevolg van verbeteringen in de detectietechnologie en ook vanwege een recente wijziging in de regels voor het identificeren van nieuwe soorten virussen, waardoor het mogelijk werd virussen te detecteren zonder ze te hoeven kweken met een gastheerorganisme.

Een van de meest gebruikte methoden is metagenomics. Het stelt wetenschappers in staat om monsters van genomen uit de omgeving te verzamelen zonder ze te hoeven cultiveren. Nieuwe technologieën zoals virussequencing hebben meer virusnamen aan de lijst toegevoegd, waaronder enkele die verrassend wijdverbreid zijn maar nog grotendeels verborgen voor wetenschappers.

"Dit is een goed moment om dit soort onderzoek te doen", zegt Maya Brightbart. - Ik denk dat het nu in veel opzichten de tijd is voor het virome [virome - de verzameling van alle virussen die kenmerkend zijn voor een individueel organisme - ca. Transl.] ".

Alleen al in 2020 voegde ICTV 1.044 nieuwe soorten toe aan de officiële viruslijst, met duizenden virussen die wachten op beschrijving en tot nu toe naamloos. De opkomst van zo'n grote verscheidenheid aan genomen zette virologen ertoe aan om de manier waarop virussen worden geclassificeerd te heroverwegen en hielp om het proces van hun evolutie te verduidelijken. Er zijn sterke aanwijzingen dat virussen niet afkomstig zijn van één enkele bron, maar meerdere keren zijn voorgekomen.

Toch is de ware omvang van de wereldwijde virale gemeenschap grotendeels onbekend, aldus viroloog Jens Kuhn van het Amerikaanse National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) in Fort Detrick, Maryland: “We hebben echt geen idee dat er iets aan de hand is.”

Overal en overal

Elk virus heeft twee eigenschappen: ten eerste is het genoom van elk virus ingesloten in een eiwitmantel en ten tweede gebruikt elk virus een vreemd gastheerorganisme - of het nu een mens, een spin of een plant is - voor zijn reproductie. Maar er zijn talloze variaties in dit algemene schema.

Kleine circovirussen hebben bijvoorbeeld slechts twee of drie genen, terwijl massieve mimivirussen, die groter zijn dan sommige bacteriën, honderden genen hebben.

Er zijn bijvoorbeeld bacteriofagen die enigszins lijken op het apparaat om op de maan te landen - deze bacteriofagen infecteren bacteriën. En natuurlijk kent iedereen tegenwoordig de killerballen bezaaid met doornen, waarvan de beelden nu pijnlijk bekend zijn, misschien voor iedereen in elk land van de wereld. En virussen hebben ook deze eigenschap: de ene groep virussen slaat hun genoom op in de vorm van DNA, terwijl de andere - in de vorm van RNA.

Er is zelfs een bacteriofaag die een alternatief genetisch alfabet gebruikt, waarin de stikstofbase A in het canonieke ACGT-systeem wordt vervangen door een ander molecuul dat wordt aangeduid met de letter Z [de letter A staat voor de stikstofbase "adenine", die deel uitmaakt van nucleïnezuur zuren (DNA en RNA); ACGT- stikstofbasen waaruit DNA bestaat, namelijk: A - adenine, C - cytosine, G - guanine, T - thymine, - ca. vert.].

Virussen zijn zo alomtegenwoordig en nieuwsgierig dat ze kunnen verschijnen, zelfs als wetenschappers er niet naar op zoek zijn. Zo was Frederik Schulz bijvoorbeeld helemaal niet van plan virussen te bestuderen, zijn gebied van wetenschappelijk onderzoek is de sequentie van genomen uit afvalwater. Als afgestudeerde student aan de Universiteit van Wenen gebruikte Schultz in 2015 metagenomics om bacteriën te vinden. Met deze aanpak isoleren wetenschappers DNA van een reeks organismen, vermalen ze tot kleine stukjes en rangschikken ze. Vervolgens assembleert een computerprogramma individuele genomen uit deze stukjes. Deze procedure doet denken aan het in één keer samenstellen van honderden puzzels uit afzonderlijke fragmenten die met elkaar zijn vermengd.

Onder de bacteriële genomen kon Schultz niet anders dan een enorm deel van het virale genoom opmerken (blijkbaar omdat dit deel virale envelopgenen had), dat 1,57 miljoen basenparen omvatte. Dit virale genoom bleek een reus te zijn, het maakte deel uit van een groep virussen, waarvan de leden gigantische virussen zijn, zowel in genoomgrootte als in absolute afmetingen (meestal 200 nanometer of meer in diameter). Dit virus infecteert amoeben, algen en andere protozoa en tast daardoor zowel aquatische ecosystemen als ecosystemen op het land aan.

Frederick Schultz, nu een microbioloog bij het Joint Genome Institute van het Amerikaanse Department of Energy in Berkeley, Californië, besloot op zoek te gaan naar verwante virussen in metagenomische databases. In 2020 beschreven Schultz en zijn collega's in hun artikel meer dan tweeduizend genomen van de groep die gigantische virussen bevat. Bedenk dat voorheen slechts 205 van dergelijke genomen werden opgenomen in de openbaar beschikbare databases.

Daarnaast moesten virologen ook in het menselijk lichaam kijken op zoek naar nieuwe soorten. Virusbio-informaticaspecialist Luis Camarillo-Guerrero analyseerde samen met collega's van het Senger Institute in Hinkston (VK) menselijke darmmetanomen en creëerde een database met meer dan 140.000 bacteriofaagsoorten. Meer dan de helft van hen was onbekend bij de wetenschap.

De gezamenlijke studie van de wetenschappers, gepubliceerd in februari, viel samen met de bevindingen van andere wetenschappers dat een van de meest voorkomende groepen virussen die menselijke darmbacteriën infecteren, een groep is die bekend staat als crAssphage (genoemd naar het cross-assembler-programma dat het in 2014 ontdekte). Ondanks de overvloed aan virussen die in deze groep vertegenwoordigd zijn, weten wetenschappers weinig over hoe virussen van deze groep deelnemen aan het menselijk microbioom, zegt Camarillo-Guerrero, die nu werkt voor het DNA-sequencingbedrijf Illumina (Illumina is gevestigd in Cambridge, VK).

Metagenomics heeft veel virussen ontdekt, maar tegelijkertijd negeert metagenomics veel virussen. In typische metagenomen wordt de sequentie van RNA-virussen niet bepaald, dus microbioloog Colin Hill van de Irish National University in Cork, Ierland, en zijn collega's zochten ernaar in RNA-databases die metatranscripten worden genoemd.

Wetenschappers verwijzen meestal naar deze gegevens bij het bestuderen van genen in een populatie, d.w.z. die genen die actief worden omgezet in messenger RNA [messenger RNA (of mRNA) wordt ook messenger RNA (mRNA) genoemd - ca. vert.] betrokken bij de productie van eiwitten; maar ook de genomen van RNA-virussen zijn daar te vinden. Met behulp van computationele technieken om sequenties uit gegevens te extraheren, vond het team 1.015 virale genomen in metatrancryptomen uit slib- en watermonsters. Dankzij het werk van wetenschappers is de informatie over bekende virussen aanzienlijk toegenomen nadat er slechts één artikel verscheen.

Dankzij deze methoden is het mogelijk om per ongeluk genomen te verzamelen die niet in de natuur voorkomen, maar om dit te voorkomen hebben wetenschappers controlemethoden leren gebruiken. Maar er zijn ook andere zwakke punten. Het is bijvoorbeeld buitengewoon moeilijk om bepaalde soorten virussen met een grote genetische diversiteit te isoleren, aangezien het voor computerprogramma's moeilijk is om ongelijksoortige gensequenties samen te voegen.

Een alternatieve benadering is om elk viraal genoom afzonderlijk te sequensen, zoals gedaan door microbioloog Manuel Martinez-Garcia van de Universiteit van Alicante in Spanje. Nadat hij zeewater door filters had geleid, isoleerde hij enkele specifieke virussen, versterkte hun DNA en ging over tot sequencing.

Na de eerste poging vond hij 44 genomen. Het bleek dat een van hen een type is van een van de meest voorkomende virussen die in de oceaan leven. Dit virus heeft zo'n grote genetische diversiteit (d.w.z. de genetische fragmenten van zijn virale deeltjes zijn zo verschillend in verschillende virale deeltjes) dat het genoom ervan nooit is verschenen in metagenomica-onderzoek. Wetenschappers noemden het "37-F6" vanwege de locatie op een laboratoriumschaal. Maar, grapte Martinez-Garcia, gezien het vermogen van het genoom om zich in het volle zicht te verbergen, had het 007 moeten worden genoemd, naar superagent James Bond.

Stambomen van virussen

Dergelijke oceaanvirussen, zo geheimzinnig als James Bond, hebben geen officiële Latijnse naam, zoals de meeste van de duizenden virale genomen die in het afgelopen decennium zijn ontdekt met behulp van metagenomica. Deze genomische sequenties stelden ICTV voor een moeilijke vraag: is één genoom voldoende om het virus een naam te geven? Tot 2016 bestond de volgende volgorde: als wetenschappers een nieuw type virus of taxonomische groep voor ICTV voorstelden, dan was het, met zeldzame uitzonderingen, noodzakelijk om niet alleen dit virus, maar ook het gastheerorganisme in cultuur te brengen. Maar in 2016, na intensief debat, waren virologen het erover eens dat één genoom voldoende zou zijn.

Aanvragen voor nieuwe virussen en groepen virussen begonnen binnen te komen. Maar de evolutionaire relaties tussen deze virussen zijn soms onduidelijk gebleven. Virologen classificeren virussen meestal op basis van hun vorm (bijvoorbeeld "lang", "dun", "kop en staart") of op basis van hun genomen (DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengs), maar deze eigenschappen vertellen ons verrassend weinig. over hun gemeenschappelijke oorsprong. Virussen met dubbelstrengs DNA-genomen lijken bijvoorbeeld in minstens vier verschillende situaties te zijn ontstaan.

De initiële classificatie van ICTV-virussen (wat impliceert dat de boom van virussen en de boom van cellulaire levensvormen afzonderlijk van elkaar bestaan) omvatte alleen de lagere stappen van de evolutionaire hiërarchie, variërend van soorten en geslachten tot het niveau dat, volgens de classificatie van meercellig leven, is gelijk aan primaten of coniferen. Er waren geen hogere niveaus van de evolutionaire hiërarchie van virussen. En veel virusfamilies bestonden geïsoleerd, zonder enige link met andere soorten virussen. Dus in 2018 voegde ICTV hogere ordeniveaus toe om virussen te classificeren: klassen, typen en rijken.

Helemaal bovenaan de classificatie van virussen plaatste ICTV groepen genaamd "rijken" (rijken), die analogen zijn van "domeinen" voor cellulaire levensvormen (bacteriën, archaea en eukaryoten), d.w.z. ICTV gebruikte een ander woord om onderscheid te maken tussen de twee bomen. (Enkele jaren geleden suggereerden sommige wetenschappers dat sommige virussen waarschijnlijk in de boom van cellulaire levensvormen zouden passen, maar dit idee heeft geen brede goedkeuring gekregen.)

ICTV heeft de takken van de virusboom geschetst en RNA-virussen toegewezen aan een regio genaamd Riboviria; tussen haakjes, een deel van dit gebied is het SARS-CoV-2-virus en andere coronavirussen, waarvan de genomen enkelstrengige RNA's zijn. Maar toen moest de enorme gemeenschap van virologen aanvullende taxonomische groepen voorstellen. Toevallig verzamelde evolutionair bioloog Eugene Koonin van het National Center for Biotechnology Information in Bethesda, Maryland, een team van wetenschappers om een eerste manier te bedenken om virussen te categoriseren. Daartoe besloot Kunin om alle virale genomen te analyseren, evenals de resultaten van studies over virale eiwitten.

Ze reorganiseerden de regio Riboviria en stelden nog drie rijken voor. Er zijn controverses geweest over sommige details, zei Kunin, maar in 2020 werd de systematisering zonder veel moeite goedgekeurd door ICTV-leden. Volgens Kunin kregen nog twee rijken in 2021 groen licht, maar de oorspronkelijke vier zullen waarschijnlijk de grootste blijven. Uiteindelijk, suggereert Kunin, kan het aantal rijken oplopen tot 25.

Dit aantal bevestigt het vermoeden van veel wetenschappers: virussen hebben geen gemeenschappelijke voorouder. "Er is niet één stamvader voor alle virussen", zegt Kunin. "Het bestaat gewoon niet." Dit betekent dat virussen waarschijnlijk meerdere keren zijn verschenen in de geschiedenis van het leven op aarde. We hebben dus geen reden om te zeggen dat virussen niet opnieuw kunnen verschijnen. "Er verschijnen voortdurend nieuwe virussen in de natuur", zegt viroloog Mart Krupovic van het Institut Pasteur in Parijs, die betrokken is geweest bij zowel de besluitvorming van ICTV als het onderzoekswerk van de Kunin-groep over systematisering.

Virologen hebben verschillende hypothesen over de oorzaken van rijken. Misschien zijn de rijken ontstaan uit onafhankelijke genetische elementen aan het begin van het leven op planeet Aarde, zelfs voordat cellen werden gevormd. Of misschien lieten ze hele cellen achter, 'ontsnapten' ze en lieten ze de meeste cellulaire mechanismen achter om hun bestaan op een minimumniveau te houden. Kunin en Krupovich zijn voorstander van de hybride hypothese, volgens welke deze primaire genetische elementen het genetische materiaal uit de cel "stelen" om virale deeltjes te bouwen. Omdat er veel hypothesen zijn over de oorsprong van virussen, is het goed mogelijk dat er veel manieren zijn waarop ze verschijnen, zegt viroloog Jens Kuhn, die in de ICTV-commissie werkte aan een voorstel voor een nieuwe systematisering van virussen.

Ondanks het feit dat de virale en cellulaire bomen verschillend zijn, raken hun takken niet alleen genen, maar wisselen ze ook uit. Dus waar moeten virussen worden geclassificeerd - levend of levenloos? Het antwoord hangt af van hoe je "levend" definieert. Veel wetenschappers beschouwen het virus niet als een levend wezen, anderen zijn het daar niet mee eens. "Ik ben geneigd te geloven dat ze nog leven", zegt bio-informaticus Hiroyuki Ogata, die onderzoek doet naar virussen aan de Universiteit van Kyoto in Japan. “Ze evolueren, ze hebben genetisch materiaal gemaakt van DNA en RNA. En ze zijn een zeer belangrijke factor in de evolutie van alle levende wezens."

De huidige classificatie wordt algemeen aanvaard en vertegenwoordigt de eerste poging om de verscheidenheid aan virussen te generaliseren, hoewel sommige virologen denken dat deze enigszins onnauwkeurig is. Een tiental virusfamilies hebben nog steeds geen enkele connectie met enig rijk. "Het goede nieuws is dat we proberen in ieder geval enige orde in deze puinhoop te scheppen", voegt microbioloog Manuel Martinez-Garcia toe.

Ze hebben de wereld veranderd

De totale hoeveelheid virussen die op aarde leeft, staat gelijk aan 75 miljoen blauwe vinvissen. Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat virussen voedselwebben, ecosystemen en zelfs de atmosfeer van onze planeet aantasten. Volgens Matthew Sullivan, specialist op het gebied van milieuvirologie, van de Ohio State University in Columbus, ontdekken wetenschappers steeds meer nieuwe soorten virussen, waarbij onderzoekers "vroeger onbekende manieren ontdekken waarop virussen een directe impact hebben op ecosystemen." Wetenschappers proberen deze virale blootstelling te kwantificeren.

"Op dit moment hebben we geen eenvoudige verklaring voor de verschijnselen die plaatsvinden", zegt Hiroyuki Ogata.

In de oceanen van de wereld kunnen virussen hun gastheermicroben verlaten en koolstof vrijgeven, die zal worden gerecycled door andere wezens die de binnenkant van deze gastheermicroben opeten en vervolgens koolstofdioxide afgeven. Maar recenter zijn wetenschappers ook tot de conclusie gekomen dat barstende cellen vaak samenklonteren en naar de bodem van de oceanen zinken, waarbij ze koolstof uit de atmosfeer binden.

Smeltende permafrost op het land is de belangrijkste bron van koolstofproductie, zei Matthew Sullivan, en virussen lijken te helpen koolstof vrij te maken van micro-organismen in deze omgeving. In 2018 beschreven Sullivan en zijn collega's 1.907 virale genomen en hun fragmenten verzameld tijdens het ontdooien van permafrost in Zweden, inclusief genen voor eiwitten die op de een of andere manier het proces van verval van koolstofverbindingen en mogelijk het proces van hun transformatie in broeikasgassen kunnen beïnvloeden.

Virussen kunnen ook andere organismen beïnvloeden (bijvoorbeeld door hun genomen te schudden). Virussen dragen bijvoorbeeld genen voor antibioticaresistentie van de ene bacterie naar de andere, en medicijnresistente stammen kunnen uiteindelijk de overhand krijgen. Volgens Luis Camarillo-Guerrero kan een dergelijke genoverdracht na verloop van tijd ernstige evolutionaire verschuivingen veroorzaken in een bepaalde populatie - en niet alleen in bacteriën. Volgens sommige schattingen is dus 8% van het menselijk DNA van virale oorsprong. Het was dus bijvoorbeeld van het virus dat onze voorouders van zoogdieren het gen kregen dat nodig is voor de ontwikkeling van de placenta.

Wetenschappers hebben meer nodig dan alleen hun genomen om veel van de vragen over het gedrag van virussen op te lossen. Het is ook noodzakelijk om de gastheren van het virus te vinden. In dit geval kan de aanwijzing in het virus zelf worden opgeslagen: het virus kan bijvoorbeeld een herkenbaar fragment van het genetisch materiaal van de gastheer in zijn eigen genoom bevatten.

Microbioloog Manuel Martinez-Garcia en collega's hebben eencellige genomica gebruikt om microben te identificeren die het onlangs ontdekte 37-F6-virus bevatten. Het gastheerorganisme van dit virus is de bacterie Pelagibacter, een van de meest voorkomende en diverse mariene organismen. In sommige regio's van de oceanen van de wereld is Pelagibacter verantwoordelijk voor bijna de helft van alle cellen die in zijn wateren leven. Als het 37-F6-virus plotseling zou verdwijnen, gaat Martinez-Garcia verder, zou het leven van in het water levende organismen ernstig worden verstoord.

Wetenschappers moeten erachter komen hoe het van gastheer verandert om een volledig beeld te krijgen van de impact van een bepaald virus, legt evolutionair ecoloog Alexandra Worden van het Ocean Science Center uit. Helmholtz (GEOMAR) in Kiel, Duitsland. Warden bestudeert gigantische virussen die genen dragen voor een fluorescerend eiwit dat rodopsine wordt genoemd.

In principe kunnen deze genen ook bruikbaar zijn voor gastheerorganismen, bijvoorbeeld voor het overdragen van energie of het doorgeven van signalen, maar dit feit is nog niet bevestigd. Om erachter te komen wat er met de rodopsine-genen gebeurt, is Alexandra Vorden van plan om het gastheerorganisme (gastheer) samen met het virus te kweken om het werkingsmechanisme van dit paar (gastheervirus) te bestuderen, verenigd in een enkel complex - "virocel".

"Alleen via celbiologie kun je zien wat de ware rol van dit fenomeen is en hoe het de koolstofcyclus precies beïnvloedt", voegt Warden toe.

In haar huis in Florida kweekte Maya Brightbart geen virussen die geïsoleerd waren van de spinnen Gasteracantha cancriformis, maar ze wist er wel het een en ander over te leren. De twee voorheen onbekende virussen die in deze spinnen werden gevonden, behoren tot de groep die Brightbart heeft beschreven als "verbazingwekkend" - en dat allemaal vanwege hun kleine genomen: de eerste codeert voor het gen voor de eiwitmantel, de tweede - het gen voor het replicatie-eiwit.

Aangezien een van deze virussen alleen in het lichaam van de spin aanwezig is, maar niet in zijn poten, gelooft Brightbart dat het in feite zijn functie is om prooien te infecteren, die vervolgens door de spin worden opgegeten. Het tweede virus is te vinden in verschillende delen van het lichaam van de spin - in de koppeling van eieren en nakomelingen - dus Brightbart gelooft dat dit virus van ouder op nageslacht wordt overgedragen. Volgens Brightbart is dit virus onschadelijk voor de spin.

Dus virussen zijn "eigenlijk het gemakkelijkst te vinden", zegt Maya Brightbart. Het is veel moeilijker om het mechanisme te bepalen waarmee virussen de levenscyclus en ecologie van het gastheerorganisme beïnvloeden. Maar eerst moeten virologen een van de moeilijkste vragen beantwoorden, herinnert Brightbart ons: "Hoe weten we welke we in het begin moeten onderzoeken?"