Guillermo Dominguez Huerta Science Consultant in Microbiology, The Ohio State University,
Ahmed Zayed, Research Scientist in Microbiology, The Ohio State University,
James Wainaina Postdoctoral Research Associate in Microbiology, The Ohio State University,
Matthew Sullivan Professor of Microbiology, The Ohio State University
Jo Adetunji, Editor, The Conversation UK
Η μεγάλη ιδέα
Οι ιοί RNA είναι περισσότερο γνωστοί για τις ασθένειες που προκαλούν στους ανθρώπους, από το κοινό κρυολόγημα έως το COVID-19. Επίσης, μολύνουν φυτά και ζώα σημαντικά για τον άνθρωπο.
Αυτοί οι ιοί μεταφέρουν τις γενετικές τους πληροφορίες σε RNA, αντί για DNA. Οι ιοί RNA εξελίσσονται με πολύ ταχύτερους ρυθμούς από ό,τι οι ιοί DNA. Ενώ οι επιστήμονες έχουν καταγράψει εκατοντάδες χιλιάδες ιούς DNA στα φυσικά τους οικοσυστήματα, οι ιοί RNA δεν έχουν μελετηθεί σχετικά.
Ωστόσο, σε αντίθεση με τους ανθρώπους και άλλους οργανισμούς που αποτελούνται από κύτταρα, οι ιοί στερούνται μοναδικών σύντομων τμημάτων DNA που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν γενετικό γραμμωτό κώδικα. Χωρίς αυτόν τον γραμμωτό κώδικα, η προσπάθεια διάκρισης διαφορετικών ειδών ιών στη φύση μπορεί να αποτελέσει πρόκληση.
Για να παρακάμψουμε αυτόν τον περιορισμό, αποφασίσαμε να εντοπίσουμε το γονίδιο που κωδικοποιεί μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη που επιτρέπει σε έναν ιό να αναπαράγει το γενετικό του υλικό. Είναι η μόνη πρωτεΐνη που μοιράζονται όλοι οι ιοί RNA, επειδή παίζει ουσιαστικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο πολλαπλασιάζονται. Κάθε ιός RNA, ωστόσο, έχει μικρές διαφορές στο γονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στη διάκριση του ενός τύπου ιού από τον άλλο.
Έτσι, εξετάσαμε μια παγκόσμια βάση δεδομένων με αλληλουχίες RNA από πλαγκτόν που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια του τετραετούς παγκόσμιου ερευνητικού προγράμματος Tara Oceans expeditions. Το πλαγκτόν είναι κάθε υδρόβιος οργανισμός που είναι πολύ μικρός για να κολυμπήσει ενάντια στο ρεύμα. Αποτελούν ζωτικό μέρος των τροφικών πλεγμάτων των ωκεανών και είναι κοινοί ξενιστές για τους ιούς RNA. Η εξέτασή μας εντόπισε τελικά πάνω από 44.000 γονίδια που κωδικοποιούν την πρωτεΐνη του ιού.
Η επόμενη πρόκλησή μας, λοιπόν, ήταν να προσδιορίσουμε τις εξελικτικές συνδέσεις μεταξύ αυτών των γονιδίων. Όσο πιο παρόμοια ήταν δύο γονίδια, τόσο πιο πιθανό ήταν οι ιοί με αυτά τα γονίδια να είχαν στενή σχέση μεταξύ τους. Επειδή αυτές οι αλληλουχίες είχαν εξελιχθεί τόσο πολύ καιρό πριν (πιθανώς πριν από το πρώτο κύτταρο), οι γενετικές ενδείξεις που έδειχναν πού μπορεί να είχαν αποσπαστεί νέοι ιοί από έναν κοινό πρόγονο είχαν χαθεί στο χρόνο. Μια μορφή τεχνητής νοημοσύνης που ονομάζεται μηχανική μάθηση, ωστόσο, μας επέτρεψε να οργανώσουμε συστηματικά αυτές τις αλληλουχίες και να εντοπίσουμε τις διαφορές πιο αντικειμενικά από ό,τι αν η εργασία γινόταν με το χέρι.
Εντοπίσαμε συνολικά 5.504 νέους θαλάσσιους RNA-ιούς και διπλασιάσαμε τον αριθμό των γνωστών φυλών των RNA-ιών από πέντε σε 10. Η γεωγραφική χαρτογράφηση αυτών των νέων αλληλουχιών αποκάλυψε ότι δύο από τα νέα φύλα ήταν ιδιαίτερα άφθονα σε τεράστιες ωκεάνιες περιοχές, με περιφερειακές προτιμήσεις είτε στα εύκρατα και τροπικά ύδατα (η Taraviricota, που πήρε το όνομά της από τις αποστολές Tara Oceans) είτε στον Αρκτικό Ωκεανό (η Arctiviricota).
Πιστεύουμε ότι η Taraviricota μπορεί να είναι ο χαμένος κρίκος στην εξέλιξη των RNA-ιών που αναζητούν εδώ και καιρό οι ερευνητές, συνδέοντας δύο διαφορετικούς γνωστούς κλάδους των RNA-ιών που απέκλιναν ως προς τον τρόπο αναπαραγωγής τους.
Γιατί έχει σημασία
Αυτές οι νέες αλληλουχίες βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα όχι μόνο την εξελικτική ιστορία των ιών RNA αλλά και την εξέλιξη της πρώιμης ζωής στη Γη.
Όπως έδειξε η πανδημία COVID-19, οι ιοί RNA μπορούν να προκαλέσουν θανατηφόρες ασθένειες. Αλλά οι ιοί RNA διαδραματίζουν επίσης ζωτικό ρόλο στα οικοσυστήματα, επειδή μπορούν να μολύνουν ένα ευρύ φάσμα οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων μικροβίων που επηρεάζουν τα περιβάλλοντα και τα τροφικά πλέγματα σε χημικό επίπεδο.
Η χαρτογράφηση του πού στον κόσμο ζουν αυτοί οι ιοί RNA μπορεί να βοηθήσει να διευκρινιστεί πώς επηρεάζουν τους οργανισμούς που καθοδηγούν πολλές από τις οικολογικές διεργασίες που λειτουργούν στον πλανήτη μας. Η μελέτη μας παρέχει επίσης βελτιωμένα εργαλεία που μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να καταγράψουν νέους ιούς καθώς οι γενετικές βάσεις δεδομένων αυξάνονται.
Τι δεν είναι ακόμη γνωστό
Παρά τον εντοπισμό τόσων πολλών νέων ιών RNA, παραμένει πρόκληση να προσδιοριστεί με ακρίβεια ποιοι οργανισμοί μολύνονται από αυτούς. Οι ερευνητές περιορίζονται επίσης επί του παρόντος κυρίως σε θραύσματα ελλιπών γονιδιωμάτων ιών RNA, εν μέρει λόγω της γενετικής πολυπλοκότητας και των τεχνολογικών περιορισμών τους.
Τα επόμενα βήματά μας θα ήταν να καταλάβουμε τι είδους γονίδια μπορεί να λείπουν και πώς άλλαξαν με την πάροδο του χρόνου. Η αποκάλυψη αυτών των γονιδίων θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο λειτουργίας αυτών των ιών.
