Milijonai naujų mikrobų: lyja genais ir virusais

Metagenomika mūsų aplinką mato kaip neatrastų virusų ir mikrobų šaltinį: kaip Big Data biologai genetiškai iš naujo atranda pasaulį.

 

Johnas Dennehy ir jo kolegos iš biologijos skyriaus Kvinso miestelyje tiksliai nežino, kas per pastaruosius dvejus metus atsitiko Niujorko kanalizacijoje. Aišku viena: pandemija čia sukūrė daug naujų ir nežinomų dalykų. Nuotekose siautėjo naujos Sars-CoV-2 padermės, kurios dar nebuvo aprašytos. 2021 m. sausio–birželio mėn. Dennehy ir jo komanda kas dvi savaites ėmė mėginius. Po pirmosios niokojančios infekcijų bangos jie buvo išsiųsti po žeme, kaip forpostai. Dabar yra žinoma, kad pandeminio viruso, kuris prieš metus iš Uhano (Kinija) išplito į rytines ir vakarines JAV pakrantes, veidas jau seniai pasikeitė. Nauji variantai su keliolika mutacijų ir žymiai skirtingomis savybėmis – didesniu užkrečiamumu, greitesne replikacija – atsirado ir paplito įvairiose vietose: alfa, beta, gama, delta, epsilon, kappa. Pasaulis pastatė ausis, net virusologus nustebino stulbinantis koronaviruso evoliucinis „variklis“, gebėjimas keistis.

 

Dennehy ir jo kolegoms ko nors neįprasto toli ieškoti nereikėjo. Nuotekų mėginiuose jie naudojo savo molekulinius filtrus, kad išgautų daugybę genų fragmentų, kurie aiškiai galėjo būti priskirti RNR virusui, pirmą kartą aprašytam Uhane, o vėliau - ir ne. Nors po to, kai buvo atlikta vis daugiau sekų analizės, Niujorko Covid klinikų pacientams tapo žinoma daug mutacijų, liko likučių, kuriuos mokslininkai pavadino „paslaptingomis viruso linijomis“. Laboratoriniai tyrimai, skirti ištirti neįprastų genų sekų funkcijoms, parodė, kad koronavirusas pirmaisiais pandemijos metais akivaizdžiai labai išplėtė savo šeimininkų diapazoną: kai ant paviršiaus buvo modifikuoti smailių baltymai, jis galėjo ne tik užkrėsti žmogaus ląsteles, bet ir taip pat ir kitas ląstelių, įskaitant žiurkių ir pelių.

 

Be to, buvo aptiktos mutacijos, atsirandančios omikroniniame variante, kuris buvo aprašytas tik po daugelio mėnesių ir dabar yra dominuojantis. Laboratoriniai virusai, aprūpinti atitinkamomis paviršiaus molekulėmis – vadinamieji pseudovirusai – buvo atsparūs antikūnams. Nuotekų mėginiuose taip pat buvo rasta ir aprašyta daugybė visiškai paslaptingų genų fragmentų, kurių savybės dar neišaiškintos. Nesvarbu, ar jie kilę iš anksčiau nežinomo gyvūnų rezervuaro, ar iš COVID-19 pacientų, kurių virusai pateko per neišvengiamai neišsamų sekos nustatymo tinklelį – taip pat lieka neatsakyta, vertinant situaciją darbe, kurį Niujorko biologai dabar paskelbė žurnale „Nature Communications“.

 

Didžiulis vertingų duomenų burbulas

 

Vadinamoji metagenomika per daug gerai žino Kvinso biologų patirtį. Metagenomika yra skėtinis terminas, apibūdinantis labai specialius metodus, naudojamus tam tikros buveinės organizmų genetinei medžiagai iššifruoti – organizmų, kurie iš esmės nežinomi, nes jų negalima dauginti, kultivuoti ir ištirti laboratorijoje. Pasauliniai genomo tyrimai skrydžio metu, tarsi. Pastaruoju metu šie procesai, sukurti 1990-aisiais, vystėsi didžiuliu greičiu. Sukurti didžiuliai įrangos parkai ir genomo duomenų bazės, užprogramuoti identifikavimo programinės įrangos įrankiai. „Didžioji biologija“: panašiai kaip dideli AI tyrimų duomenys, tai beveik kasdien didėjantis išteklius. Duomenų burbulas, kuris auga, kaip tinklas tarp laboratorijų visame pasaulyje. Peeras Borkas iš Europos molekulinės biologijos laboratorijos (EMBL) Heidelberge yra vienas iš šios srities pionierių. Kai jis turi suformuluoti metagenomikos tikslą, jis niekada nėra smulkmeniškas.

 

Tikslas turėtų būti ne kas kita, kaip užfiksuoti kuo daugiau organizmų genų visame pasaulyje, taigi ir visos šiandieninės gyvybės žemėje molekulinį pagrindą. Tikrai planetinių proporcijų genų projektas. Gal tik utopija. Jei manote, kad žmogaus etaloninis genomas pagaliau buvo paskelbtas praėjusiais metais, t. y. be spragų, kurių nebuvo galima sekvenuoti, metagenomikos teiginys skamba šiek tiek utopiškiau. Ir vis dėlto šiuo metu jie skleidžia beveik neregėtą optimizmą. Jis išreiškiamas didžiuliais skaičiais su daugybe nulių.

 

Prieš kelias dienas tarptautinė kompiuterinių biologų komanda, įskaitant mokslininkus iš Heidelbergo ir Tiubingeno, „Nature“ paskelbė savo biologinių virusų duomenų bazės analizę su „Serratus“. Tai naujas, bendrai naudojamas duomenų debesis, kuriame iki šiol sekvenuota 5,7 mln. genų fragmentų iš viso pasaulio yra saugomi ir kuriuose naudojant specialias priemones galima ištirti genetinę informaciją, ar nėra biologinio viruso pėdsakų.

 

Per pastaruosius trylika metų susibūrė 10,2 petabazės virusų genetinės informacijos, kitaip tariant: vienas, po kurio seka penkiolika nulių – tiek daug genų statybinių blokų, surinktų visuose žemynuose ir vandenynuose, yra tai, ką Serratus turi omenyje.

 

 Per kelias dienas, kai lygiagrečiai dirbo daugiau, nei 20 000 kompiuterių procesorių, bioinformatikai šioje mišinyje aptiko ne mažiau, nei 131 957 naujus RNR virusus. Iki šiol buvo žinoma tik 15 000 RNR virusų ir tik nedaugelis galėjo būti auginami laboratorijose. Tarp naujų virusų iš genų bibliotekos yra mažiausiai devyni koronavirusai, kurie anksčiau nebuvo aprašyti.

 

Šimtai tūkstančių RNR virusų variantų

 

Tam tikru mastu trys trumpos geno dalys, atsakingos už nuo RNR priklausomos RNR polimerazės kūrimą, buvo kabliukai nežinomiems virusams. Tai fermentas, kurio paprastai reikia RNR virusams, kad jie galėtų reguliariai daugintis. Netgi ši esminė ir labai konservuota molekulė gali labai skirtis tarp itin universalių RNR virusų. Biologai nustatė šimtus tūkstančių variantų. Mažų hepatito delta virusų grupė, kuri iki 2018 m. buvo gana aprėpiama su 13 narių, vienu ypu buvo išplėsta, kaip manoma, daugiau nei trimis šimtais variantų. Tačiau daugelis šių metagenominių atradimų dar turi būti patvirtinti tolesnėmis laboratorinėmis analizėmis. Ir net jei tai pavyktų visiems šiems atradimams, virusų tyrinėtojai dar toli gražu neturi išsamių žinių apie pasaulinę „Viromą“ – pasaulinę virusų imperiją. Iki šiol mokslas tikriausiai išsamiau ištyrė šiek tiek daugiau, nei 0,001 procento žemiškų virusų.

 

Situacija nesiskiria su kitomis mažytėmis būtybėmis, į kurias Peeras Borkas ir daugelis jo metagenomikos kolegų žiūri visame pasaulyje: bakterijos. Netrukus po to, kai žmogaus genomas tapo viešai paskelbtas pirmoje grubioje versijoje, Borkas ir jo kolegos apkeliavo praktiškai visą pasaulį, kad nuskaitytų aplinką bakterijų genetinės medžiagos. Vėlesniais metais buvo analizuojama tūkstančių žmonių žarnyno flora, vis daugiau savanorių tiriami individualūs mikrobų pirštų atspaudai, siekiant išsiaiškinti, kaip jie kinta susirgus ar vartojant vaistus. Logistiniai ir skaitmeniniai mamutų projektai, kurie ne tik sprendžia labai praktinius medicininius klausimus, bet ir vis sparčiau skatina bendrą genetinį planetos vaizdą.

 

Biotechnologo Jaime Huerta-Cepas iš Madrido kartu su Borku ir mokslininkais nuo Berlyno iki Šanchajaus „bioRxiv“ naujame išankstiniame leidinyje bakterijų genų repertuaras staiga padaugėja. Tyrėjai nustatė beveik 400 milijonų genų penkiose didelėse metagenomų duomenų bazėse, apimančiose mikrobus iš 82 "buveinių" - nuo žmogaus žarnyno ir makšties iki jūros ir nuotekų mėginių. Žinoma, dauguma jų atspindi tūkstančius to paties geno variantų. Nepaisant to: genų atradimai anksčiau nekultyvuotose ​​bakterijose labai išplečia natūralų gamtos genų katalogą. 

 

Bet kuriuo atveju Borkas ir jo kolegos sukūrė savo kompiuterinę duomenų bazę, skirtą bakterijų genų įvairovei žemėje dokumentuoti: „Global Microbial Gene Catalog v1.0“.

 

Niekas nežino, kam galiausiai bus naudingi visi šie mega genų projektai, kurie pašaliniams visiškai nevaldomi. Viena idėja yra ta, kad, pavyzdžiui, galima stebėti antibiotikams atsparių bakterijų plitimą ir ankstyvoje stadijoje nustatyti probleminius mikrobus. Panašiai su virusais. Tačiau negalima tiksliai numatyti, ar mokslininkai kada nors turės galimybę panaudoti masinę seką, kad nustatytų ir net prognozuotų infekcinių variantų vystymąsi arba tuos, kurie ankstyvoje stadijoje gali pabėgti nuo imuninės sistemos. Bet kokiu atveju, metagenomikos kompiuteriniai įrankiai ir duomenų lobynai galėtų būti tinkami grėsmingiems signalams aplinkoje aptikti anksčiau."