Próbki wody oceanicznej zebrane na całym świecie dostarczyły skarbnicy nowych danych na temat wirusów RNA, poszerzając możliwości badań ekologicznych i zmieniając nasze rozumienie ewolucji tych małych, ale znaczących cząstek submikroskopowych.
Łącząc analizy uczenia maszynowego z tradycyjnymi drzewami ewolucyjnymi, międzynarodowy zespół naukowców zidentyfikował 5500 nowych gatunków wirusów RNA, które reprezentują wszystkie pięć znanych typów wirusów RNA i sugeruje, że do ich wychwycenia potrzeba co najmniej pięciu nowych typów wirusów RNA.
Najliczniejsza kolekcja nowo zidentyfikowanych gatunków należy do proponowanego badacza typu Taraviricota, będącego ukłonem w stronę źródła 35 000 próbek wody, które umożliwiły analizę: Tara Oceans Consortium, trwającego globalnego badania na pokładzie szkunera Tara dotyczącego wpływu klimatu zmiany na oceanach świata.
„Jest tu tak wiele nowej różnorodności – a cała gromada Taraviricota została znaleziona w całych oceanach, co sugeruje, że są one ważne z ekologicznego punktu widzenia” – powiedział główny autor Matthew Sullivan, profesor mikrobiologii na Uniwersytecie Stanowym Ohio.
„Wirusy RNA są wyraźnie ważne w naszym świecie, ale zwykle badamy tylko ich niewielki wycinek – kilkaset, które szkodzą ludziom, roślinom i zwierzętom. Chcieliśmy systematycznie badać je na bardzo dużą skalę i badać środowisko, którego nikt nie przyjrzeliśmy się im głęboko i mieliśmy szczęście, ponieważ praktycznie każdy gatunek był nowy, a wiele z nich było naprawdę nowych”.
Badanie pojawiło się dzisiaj w Internecie (7 kwietnia 2022 r.) w Science.
Chociaż drobnoustroje są niezbędnymi współtwórcami całego życia na planecie, wirusy, które je infekują lub wchodzą z nimi w interakcje, mają różnorodny wpływ na funkcje drobnoustrojów. Uważa się, że tego typu wirusy pełnią trzy główne funkcje: zabijanie komórek, zmienianie sposobu zarządzania energią przez zakażone komórki oraz przenoszenie genów z jednego gospodarza na drugiego.
Naukowcy twierdzą, że wiedza na temat różnorodności i obfitości wirusów w oceanach na świecie pomoże wyjaśnić rolę drobnoustrojów morskich w adaptacji oceanów do zmian klimatycznych. Oceany pochłaniają połowę dwutlenku węgla wytworzonego przez człowieka z atmosfery, a wcześniejsze badania przeprowadzone przez tę grupę sugerowały, że wirusy morskie są „pokrętłem” pompy biologicznej wpływającej na magazynowanie węgla w oceanie.
Podejmując wyzwanie, jakim jest klasyfikowanie wirusów RNA, zespół wkroczył na wody, które wciąż są falujące po wcześniejszych próbach kategoryzacji taksonomii, które koncentrowały się głównie na patogenach wirusowych RNA. W królestwie biologicznym Orthornavirae pięć typów zostało niedawno uznanych przez Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów (ICTV).
Chociaż zespół badawczy zidentyfikował setki nowych gatunków wirusów RNA, które pasują do tych istniejących podziałów, ich analiza zidentyfikowała tysiące innych gatunków, które zgrupowały w pięć nowych proponowanych typów: Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota i Arctiviricota, które, podobnie jak Taraviricota, charakteryzują się wysokim liczne gatunki — przynajmniej w krytycznych dla klimatu wodach Oceanu Arktycznego, obszaru świata, w którym warunki ocieplenia sieją największe spustoszenie.
Zespół Sullivana od dawna skatalogował gatunki wirusów DNA w oceanach, zwiększając ich liczbę z kilku tysięcy w 2015 i 2016 r. do 200 tys. w 2019 r. Na potrzeby tych badań naukowcy mieli dostęp do cząsteczek wirusa, aby dokończyć analizę.
W obecnych wysiłkach zmierzających do wykrycia wirusów RNA nie było żadnych cząstek wirusowych do zbadania. Zamiast tego naukowcy wyodrębnili sekwencje z genów eksprymowanych w organizmach pływających w morzu i zawęzili analizę do sekwencji RNA zawierających gen sygnaturowy, zwany RdRp, który ewoluował przez miliardy lat w wirusach RNA i jest nieobecny w innych wirusach lub komórkach .
Ponieważ istnienie RdRp datuje się od pierwszego wykrycia życia na Ziemi, jego pozycja w sekwencji wielokrotnie się rozchodziła, co oznacza, że tradycyjne relacje drzew filogenetycznych były niemożliwe do opisania samymi sekwencjami. Zamiast tego zespół wykorzystał uczenie maszynowe do zorganizowania 44 000 nowych sekwencji w sposób, który mógłby poradzić sobie z tymi miliardami lat rozbieżności sekwencji, i zweryfikował metodę, pokazując, że technika może dokładnie klasyfikować sekwencje już zidentyfikowanych wirusów RNA.
„Musieliśmy porównać znane, aby zbadać nieznane” – powiedział Sullivan, również profesor inżynierii lądowej, środowiskowej i geodezyjnej, dyrektor założyciel Ohio State’s Center of Microbiome Science i członek zespołu kierowniczego w EMERGE Biology Integration Institute.
„Stworzyliśmy odtwarzalny obliczeniowo sposób, aby dopasować te sekwencje do miejsca, w którym możemy być bardziej pewni, że dopasowujemy pozycje, które dokładnie odzwierciedlają ewolucję”.
Dalsza analiza z wykorzystaniem trójwymiarowych reprezentacji struktur sekwencji i dopasowania ujawniła, że klaster 5500 nowych gatunków nie pasował do pięciu istniejących typów wirusów RNA sklasyfikowanych w królestwie Orthornavirae.
„Porównaliśmy nasze klastry z uznanymi taksonami opartymi na filogenezie i w ten sposób odkryliśmy, że mamy więcej klastrów niż te, które istniały” – powiedział współautor Ahmed Zayed, naukowiec w dziedzinie mikrobiologii w Ohio State i kierownik badań. w Instytucie EMERGE.
Podsumowując, odkrycia skłoniły naukowców do zaproponowania nie tylko pięciu nowych typów, ale także co najmniej 11 nowych klas ortornawirusów wirusów RNA. Zespół przygotowuje wniosek o sformalizowanie kandydatów typu i klas przez ICTV.
Zayed powiedział, że zakres nowych danych na temat rozbieżności genu RdRp w czasie prowadzi do lepszego zrozumienia, jak wczesne życie mogło ewoluować na planecie.
„RdRp ma być jednym z najstarszych genów – istniał zanim pojawiło się zapotrzebowanie na DNA” – powiedział. „Więc nie tylko śledzimy pochodzenie wirusów, ale także śledzimy pochodzenie życia”.
Badania te były wspierane przez National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, Ohio Supercomputer Center, Ohio State’s Center of Microbiome Science, EMERGE Biology Integration Institute, Ramon-Areces Foundation i Laulima Government Solutions/NIAID. Prace były również możliwe dzięki bezprecedensowemu pobieraniu próbek i nauce konsorcjum Tara Oceans Consortium, organizacji non-profit Tara Ocean Foundation i jej partnerów.
Dodatkowymi współautorami artykułu byli współautorzy wiodący James Wainaina i Guillermo Dominguez-Huerta, a także Jiarong Guo, Mohamed Mohssen, Funing Tian, Adjie Pratama, Ben Bolduc, Olivier Zablocki, Dylan Cronin i Lindsay Solden, wszyscy z Sullivana laboratorium; Ralf Bundschuh, Kurt Fredrick, Laura Kubatko i Elan Shatoff z Ohio State College of Arts and Sciences; Hans-Joachim Ruscheweyh, Guillem Salazar i Shinichi Sunagawa z Instytutu Mikrobiologii i Szwajcarskiego Instytutu Bioinformatyki; Jens Kuhn z Narodowego Instytutu Alergii i Chorób Zakaźnych; Alexander Culley z Université Laval; Erwan Delage i Samuel Chaffron z Université de Nantes; oraz Eric Pelletier, Adriana Alberti, Jean-Marc Aury, Quentin Carradec, Corinne da Silva, Karine Labadie, Julie Poulain i Patrick Wincker z Genoscope.