Międzynarodowy zespół z udziałem polskich naukowców stworzył największy dotąd atlas wirusów RNA występujących w miastach i ich sąsiedztwie. Analiza niemal 3 tys. próbek ujawniła blisko 55 tys. grup potencjalnych wirusów, z których ponad trzy czwarte nie było wcześniej notowanych.
Badanie przeprowadzono w ramach międzynarodowego konsorcjum MetaSUB, które od 10 lat analizuje mikroorganizmy obecne w przestrzeni miejskiej. W pracach uczestniczyli również Polacy – obecni i byli badacze z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jednym ze współautorów publikacji, która ukazała się w „Nature Communications”, jest dr hab. Paweł Łabaj, prof. UJ, współtwórca konsorcjum MetaSUB oraz inicjator akcji global City Sampling Day (gCSD) w Krakowie.
Nieznany świat wirusów
Jak wyjaśnił, wirusy kojarzymy zwykle z tym, że wywołują choroby ludzi, zwierząt albo roślin. W rzeczywistości występują jednak niemal wszędzie: na powierzchniach, których codziennie dotykamy, w wodzie i glebie, a także w organizmach bakterii i grzybów. Ogromna część tego świata nadal pozostaje nieznana.
Aby go poznawać, nie wystarczy jednak szukać z góry określonych wirusów. Należy stale i szeroko badać środowisko, opisując, jaki materiał genetyczny się w nim znajduje.
– To jest bardziej nauka eksploracyjna. Nie stawiamy konkretnej hipotezy, ale obserwujemy środowisko, sprawdzamy, co się w nim znajduje i próbujemy opisać rolę odkrywanych elementów, a także ich potencjalny wpływ na zdrowie i dobrostan człowieka – powiedział prof. Łabaj.
Próbki ze 102 miast
Na potrzeby badania naukowcy przeanalizowali 2922 próbki pochodzące ze 102 miast w 31 krajach. Zbierano je m.in. na przystankach komunikacyjnych, w szpitalach, bankach i sklepach, na ulicach, a także w ściekach, wodzie, glebie, na terenach zielonych i w osadach dennych.
Tym razem naukowcy skupili się na wirusach RNA, które we wcześniejszych analizach MetaSUB w dużej mierze pozostawały niewidoczne. Różnią się one od wirusów DNA rodzajem materiału genetycznego i zwykle szybciej się zmieniają, ponieważ podczas kopiowania ich genomu częściej dochodzi do błędów. Dotąd badano głównie bakterie i wirusy, których materiałem genetycznym jest DNA. Analiza RNA wymaga osobnego przygotowania próbek, co zwiększa koszty.
Ponieważ najnowsza analiza początkowo była ukierunkowana na wirusa SARS-CoV-2, próbki przygotowano również do sekwencjonowania RNA. Uzyskane sekwencje przetworzono następnie za pomocą metod bioinformatycznych, aby wyodrębnić te, które mogły pochodzić od wirusów.
Atlas wirusów RNA
Ostatecznie autorzy stworzyli obszerny atlas („Urban & Peri-urban RNA Virus Atlas”). Znalazło się w nim blisko 55 tys. grup sekwencji, z których każda mogła odpowiadać jednemu wirusowi albo grupie bardzo blisko spokrewnionych wirusów. Co ważne, ok. 77 proc. z nich nie było wcześniej nigdzie odnotowanych.
Jak podkreślił prof. Łabaj, nie oznacza to jednak, że odkryto ponad 40 tys. nowych wirusów groźnych dla człowieka. Ich pełna charakteryzacja, w tym określenie gospodarzy, wymaga zebrania i przeanalizowania większej ilości próbek. Tutaj w większości przypadków badacze nie dysponowali całymi genomami, lecz jedynie ich fragmentami, dlatego mogli jedynie stwierdzić, że dana sekwencja prawdopodobnie należy do nieznanego wcześniej wirusa RNA.
– Mówimy więc raczej o potencjalnych wirusach. Tylko w pojedynczych przypadkach materiału, a więc i danych, było wystarczająco dużo, aby zrekonstruować prawie całe genomy – powiedział naukowiec z MCB UJ.
Różnorodność
Analiza pozwoliła również porównać społeczności wirusów występujące w różnych środowiskach. Największą różnorodność stwierdzono m.in. w glebie, osadach i ściekach. W miejscach silnie przekształconych przez człowieka, takich jak przystanki, stacje metra czy sklepy, była ona zwykle mniejsza. Zdaniem autorów może to oznaczać, że przemieszczanie się ludzi i podobny sposób zagospodarowania miast prowadzą do ujednolicania ich mikrobiologicznego otoczenia.
Szczególnie dużą różnorodność wirusów stwierdzono w ściekach. Według prof. Łabaja potwierdza to ich kluczowe znaczenie dla przyszłych systemów wczesnego ostrzegania przed epidemiami.
– Ścieki mają największy potencjał jako źródło informacji o tym, jakie wirusy obecnie krążą w środowisku i jakie zagrożenia mogą pojawić się w przyszłości. Dlatego ich monitorowanie może być podstawą mechanizmów wczesnego ostrzegania – zauważył.
Określnie gospodarza
W opinii eksperta jednym z najbardziej zaskakujących wyników badania było ustalenie, jakie organizmy mogą być gospodarzami wykrytych wirusów. Udało się to określić dla ok. jednej trzeciej z nich. W tej grupie ponad połowę stanowiły bakteriofagi, czyli wirusy zakażające bakterie. Kolejne były wirusy grzybów i roślin, natomiast te związane z ludźmi i innymi zwierzętami, ku zaskoczeniu badaczy, stanowiły stosunkowo niewielką część.
Wśród bakterii, z którymi powiązano wykryte fagi, znalazły się m.in. Clostridioides difficile, wywołująca ciężkie zakażenia jelit, oraz cztery gatunki należące do grupy ESKAPE (https://doi.org/10.1038/s41579-024-01054-w). Są to patogeny o krytycznym znaczeniu, wykazujące oporność na wiele leków, w przypadku których pilnie potrzebne są skuteczne metody leczenia. Stanowią one znaczne zagrożenie dla zdrowia publicznego i często odpowiadają za zakażenia szpitalne.
– To bardzo ważne odkrycie w dobie rosnącej lekooporności. Zgodnie z prognozami do 2050 r. miliony ludzi rocznie mogą umierać z powodu zakażeń szczepami opornymi na antybiotyki. A ponieważ fagi atakują i niszczą bakterie, otwiera to duże możliwości poszukiwania nowych terapii – zaznaczył prof. Łabaj.
Ewolucja
Badanie dostarczyło również nowych informacji o ewolucji samych wirusów. Analiza ich pokrewieństwa ujawniła dwie odległe grupy, które mogą w przyszłości zostać uznane za nowe typy, oraz jedną potencjalną nową klasę. Wyniki sugerują ponadto, że wirusy o dwuniciowym RNA mogły powstać niezależnie w kilku liniach ewolucyjnych. Oznaczałoby to, że obecna klasyfikacja niektórych z nich nie odzwierciedla w pełni ich historii ewolucyjnej.
Zdaniem prof. Łabaja podobne analizy mogłyby przynieść znacznie więcej informacji i gruntownie poszerzyć wiedzę, gdyby udało się je regularnie powtarzać. Materiał do tego już istnieje – konsorcjum MetaSUB zgromadziło kilkadziesiąt tysięcy próbek, z których zdecydowana większość czeka w zamrażarkach na sekwencjonowanie. W Krakowie są one pobierane od 2020 r.
– Moglibyśmy sprawdzić, jak w ujęciu globalnym mikrobiom miejski zmienia się w czasie i przestrzeni oraz jak presja wynikająca z rozwoju tkanki miejskiej wpływa na ewolucję bakterii, archeonów, grzybów czy wirusów, ale brakuje na to finansowania – powiedział naukowiec.
Jak wyjaśnił, środki na projekty eksploracyjne jest dość trudno uzyskać, ponieważ nie służą one sprawdzeniu jednej, wcześniej dobrze uzasadnionej hipotezy.
– Opierają się raczej na paradygmacie badań opartych na danych (data-driven science), w których proces badawczy przebiega w trybie indukcyjnym: od szerokiej obserwacji empirycznej i wyodrębniania prawidłowości do formułowania ugruntowanych hipotez. Takie podejście umożliwia lepsze wykorzystanie potencjału wysokoprzepustowych technik molekularnych, których gwałtowny rozwój obserwujemy w ostatnich latach. Zapewnia też bardziej otwarte i demokratyczne podejście do analizy danych – podsumował prof. Łabaj.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Pixabay/ CC0/ Mouse Made Content
