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Descobertas virológicas podem mudar a biologia
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Anonim

Os vírus são minúsculos, mas “criaturas incrivelmente poderosas”, sem as quais não sobreviveríamos. Sua influência em nosso planeta é inegável. É fácil encontrá-los, os cientistas continuam a identificar tipos de vírus até então desconhecidos. Mas quanto sabemos sobre eles? Como sabemos qual investigar primeiro?

O coronavírus SARS-CoV-2 é apenas um dos vários milhões de vírus que vivem em nosso planeta. Os cientistas estão identificando rapidamente muitos novos tipos.

Maya Breitbart procurou novos vírus em cupinzeiros africanos, focas da Antártica e Mar Vermelho. Mas, como se viu, para realmente encontrar alguma coisa, ela só teve que olhar para o jardim de sua casa na Flórida. Lá, ao redor da piscina, você pode encontrar aranhas orb-web da espécie Gasteracantha cancriformis.

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Têm uma cor brilhante e corpos brancos arredondados, nos quais se notam manchas pretas e seis espinhos escarlates, semelhantes a uma arma bizarra da Idade Média. Mas dentro dos corpos dessas aranhas, Maya Brightbart teve uma surpresa: quando Brightbart, um especialista em ecologia viral da University of South Florida em St. desconhecido para a ciência.

Como você sabe, desde 2020, nós, pessoas comuns, estamos preocupados com apenas um vírus particularmente perigoso conhecido por todos agora, mas existem muitos outros vírus que ainda não foram detectados. De acordo com os cientistas, cerca de 1031diferentes partículas virais, o que é dez bilhões de vezes o número aproximado de estrelas no universo observável.

Agora está claro que os ecossistemas e organismos individuais dependem de vírus. Os vírus são criaturas minúsculas, mas incrivelmente poderosas, eles aceleraram o desenvolvimento evolutivo ao longo de milhões de anos, com sua ajuda, foi realizada a transferência de genes entre organismos hospedeiros. Vivendo nos oceanos do mundo, os vírus dissecaram microorganismos, jogando seu conteúdo no ambiente aquático e enriquecendo a teia alimentar com nutrientes. "Não teríamos sobrevivido sem os vírus", disse o virologista Curtis Suttle, da University of British Columbia, em Vancouver, Canadá.

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O Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus (ICTV) descobriu que, no momento, existem 9.110 tipos diferentes de vírus no mundo, mas isso é obviamente uma pequena fração do total. Isso se deve em parte ao fato de que a classificação oficial dos vírus no passado exigia que os cientistas cultivassem o vírus no organismo hospedeiro ou em suas células; esse processo é demorado e às vezes parece complicado de maneira irreal.

A segunda razão é que, no decorrer da pesquisa científica, a ênfase estava em encontrar aqueles vírus que causam doenças em humanos ou em outros organismos vivos que têm certo valor para os humanos, por exemplo, diz respeito a animais de fazenda e plantações.

No entanto, como a pandemia covid-19 nos lembrou, é importante estudar os vírus que podem ser transmitidos de um organismo hospedeiro para outro, e esta é exatamente a ameaça aos humanos, bem como aos animais domésticos ou plantações.

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Na última década, o número de vírus conhecidos disparou devido a melhorias na tecnologia de detecção, e também devido a uma recente mudança nas regras de identificação de novos tipos de vírus, que tornou possível detectar vírus sem a necessidade de cultivá-los com um organismo hospedeiro.

Um dos métodos mais comuns é a metagenômica. Ele permite que os cientistas coletem amostras de genomas do meio ambiente sem a necessidade de cultivá-los. Novas tecnologias, como o sequenciamento de vírus, adicionaram mais nomes de vírus à lista, incluindo alguns que estão surpreendentemente difundidos, mas ainda em grande parte escondidos dos cientistas.

“Agora é um ótimo momento para fazer esse tipo de pesquisa”, diz Maya Brightbart. - Acho que, de muitas maneiras, agora é a hora do viroma [viroma - a coleção de todos os vírus que são característicos de um organismo individual - aproximadamente Transl.] ".

Só em 2020, o ICTV adicionou 1.044 novas espécies à sua lista oficial de vírus, com outros milhares de vírus aguardando descrição e até agora sem nome. O surgimento de uma variedade tão grande de genomas levou os virologistas a repensar a maneira como os vírus são classificados e ajudou a esclarecer o processo de sua evolução. Há fortes evidências de que os vírus não se originaram de uma única fonte, mas ocorreram várias vezes.

Ainda assim, o verdadeiro tamanho da comunidade viral global é amplamente desconhecido, de acordo com o virologista Jens Kuhn, do Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas dos Estados Unidos (NIAID) em Fort Detrick, Maryland: “Nós realmente não temos ideia do que está acontecendo”.

Em todos os lugares e em todos os lugares

Qualquer vírus tem duas propriedades: em primeiro lugar, o genoma de cada vírus é envolvido por uma capa protéica e, em segundo lugar, cada vírus usa um organismo hospedeiro estranho - seja um homem, uma aranha ou uma planta - para fins de sua reprodução. Mas existem inúmeras variações neste esquema geral.

Por exemplo, circovírus minúsculos têm apenas dois ou três genes, enquanto mimivírus massivos, que são maiores do que algumas bactérias, têm centenas de genes.

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Por exemplo, existem bacteriófagos que são um tanto semelhantes ao aparelho para pousar na lua - esses bacteriófagos infectam bactérias. E, claro, hoje em dia todo mundo conhece as bolas assassinas cravejadas de espinhos, cujas imagens agora são dolorosamente familiares, talvez, a todas as pessoas em qualquer país do mundo. E os vírus também têm esta característica: um grupo de vírus armazena seu genoma na forma de DNA, enquanto o outro - na forma de RNA.

Existe até um bacteriófago que usa um alfabeto genético alternativo, no qual a base nitrogenada A do sistema ACGT canônico é substituída por outra molécula designada pela letra Z [a letra A representa a base nitrogenada "adenina", que faz parte do núcleo ácidos (DNA e RNA); ACGT- bases nitrogenadas que constituem o DNA, a saber: A - adenina, C - citosina, G - guanina, T - timina, - aprox. trad.]

Os vírus são tão onipresentes e intrometidos que podem aparecer mesmo que os cientistas não os estejam procurando. Então, por exemplo, Frederik Schulz não pretendia estudar vírus de forma alguma, sua área de pesquisa científica é a sequência de genomas de águas residuárias. Como estudante de pós-graduação na Universidade de Viena, Schultz usou a metagenômica para encontrar bactérias em 2015. Com essa abordagem, os cientistas isolam o DNA de uma variedade de organismos, trituram-nos em pequenos pedaços e os sequenciam. Em seguida, um programa de computador monta genomas individuais a partir dessas peças. Esse procedimento lembra a montagem de várias centenas de quebra-cabeças de uma vez a partir de fragmentos separados misturados uns com os outros.

Entre os genomas bacterianos, Schultz não pôde deixar de notar um grande pedaço do genoma viral (aparentemente porque esse pedaço tinha genes do envelope viral), que incluía 1,57 milhão de pares de bases. Esse genoma viral revelou-se um gigante, fazia parte de um grupo de vírus, cujos membros são vírus gigantes tanto em tamanho de genoma quanto em dimensões absolutas (geralmente 200 nanômetros ou mais de diâmetro). Este vírus infecta amebas, algas e outros protozoários, afetando assim os ecossistemas aquáticos, bem como os ecossistemas terrestres.

Frederick Schultz, agora microbiologista do Joint Genome Institute do Departamento de Energia dos EUA em Berkeley, Califórnia, decidiu procurar vírus relacionados em bancos de dados metagenômicos. Em 2020, em seu artigo, Schultz e seus colegas descreveram mais de dois mil genomas do grupo que contém vírus gigantes. Lembre-se de que, anteriormente, apenas 205 desses genomas foram incluídos nos bancos de dados disponíveis publicamente.

Além disso, os virologistas também tiveram que olhar para dentro do corpo humano em busca de novas espécies. O especialista em bioinformática de vírus Luis Camarillo-Guerrero, junto com colegas do Senger Institute em Hinkston (Reino Unido), analisou metagenomas intestinais humanos e criou um banco de dados contendo mais de 140.000 espécies de bacteriófagos. Mais da metade deles eram desconhecidos da ciência.

O estudo conjunto dos cientistas, publicado em fevereiro, coincidiu com as descobertas de outros cientistas de que um dos grupos mais comuns de vírus que infectam bactérias intestinais humanas é um grupo conhecido como crAssphage (batizado em homenagem ao programa cross-assembler que o descobriu em 2014). Apesar da abundância de vírus representados neste grupo, os cientistas sabem pouco sobre como os vírus desse grupo participam do microbioma humano, diz Camarillo-Guerrero, que agora trabalha para a empresa de sequenciamento de DNA Illumina (Illumina está localizada em Cambridge, no Reino Unido).

A metagenômica descobriu muitos vírus, mas, ao mesmo tempo, ignora muitos vírus. Em metagenomas típicos, os vírus de RNA não são sequenciados, então o microbiologista Colin Hill, da Irish National University em Cork, Irlanda, e seus colegas os pesquisaram em bancos de dados de RNA chamados metatranscritos.

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Os cientistas geralmente se referem a esses dados ao estudar genes em uma população, ou seja, os genes que são ativamente convertidos em RNA mensageiro [RNA mensageiro (ou mRNA) também é chamado de RNA mensageiro (mRNA) - aprox. trad.] envolvidos na produção de proteínas; mas os genomas dos vírus de RNA também podem ser encontrados lá. Usando técnicas computacionais para extrair sequências de dados, a equipe encontrou 1.015 genomas virais em metatrancriptomo de amostras de silte e água. Graças ao trabalho dos cientistas, as informações sobre os vírus conhecidos aumentaram significativamente depois que apenas um artigo apareceu.

Graças a esses métodos, é possível coletar acidentalmente genomas que não existem na natureza, mas para evitar isso, os cientistas aprenderam a usar métodos de controle. Mas também existem outras fraquezas. Por exemplo, é extremamente difícil isolar certos tipos de vírus com grande diversidade genética, uma vez que é difícil para os programas de computador reunir sequências de genes díspares.

Uma abordagem alternativa é sequenciar cada genoma viral separadamente, como é feito pelo microbiologista Manuel Martinez-Garcia, da Universidade de Alicante, na Espanha. Depois de passar a água do mar por filtros, ele isolou alguns vírus específicos, amplificou seu DNA e procedeu ao sequenciamento.

Após a primeira tentativa, ele encontrou 44 genomas. Descobriu-se que um deles é um tipo de um dos vírus mais comuns que vivem no oceano. Este vírus tem uma grande diversidade genética (ou seja, os fragmentos genéticos de suas partículas virais são tão diferentes em diferentes partículas virais) que seu genoma nunca apareceu na pesquisa metagenômica. Os cientistas o chamaram de "37-F6" por causa de sua localização em uma placa de laboratório. No entanto, Martinez-Garcia brincou, dada a capacidade do genoma de se esconder à vista de todos, deveria ter se chamado 007 em homenagem ao super agente James Bond.

Árvores genealógicas de vírus

Esses vírus oceânicos, tão secretos como James Bond, não têm um nome oficial em latim, como a maioria dos vários milhares de genomas virais descobertos na última década usando metagenômica. Essas sequências genômicas levantaram uma questão difícil para o ICTV: um genoma é suficiente para nomear o vírus? Até 2016, existia a seguinte ordem: se os cientistas propunham algum novo tipo de vírus ou grupo taxonômico para o ICTV, então, com raras exceções, era necessário fornecer em cultura não só esse vírus, mas também o organismo hospedeiro. Mas em 2016, após intenso debate, os virologistas concordaram que um genoma seria suficiente.

Os pedidos de novos vírus e grupos de vírus começaram a chegar. Mas as relações evolutivas entre esses vírus às vezes permaneceram obscuras. Os virologistas geralmente classificam os vírus com base em sua forma (por exemplo, "longo", "fino", "cabeça e cauda") ou com base em seus genomas (DNA ou RNA, de fita simples ou dupla), mas essas propriedades nos dizem surpreendentemente pouco. sobre sua origem comum. Por exemplo, vírus com genomas de DNA de fita dupla parecem ter se originado em pelo menos quatro situações diferentes.

A classificação inicial dos vírus ICTV (o que implica que a árvore dos vírus e a árvore das formas de vida celular existem separadamente) incluiu apenas as etapas inferiores da hierarquia evolutiva, variando de espécies e gêneros até o nível que, de acordo com o classificação da vida multicelular, é equivalente a primatas ou coníferas. Não havia níveis mais altos da hierarquia evolutiva dos vírus. E muitas famílias de vírus existiam isoladas, sem qualquer ligação com outros tipos de vírus. Então, em 2018, o ICTV adicionou níveis de ordem mais altos para classificar os vírus: classes, tipos e domínios.

No topo da classificação de vírus, o ICTV coloca grupos chamados "reinos" (reinos), que são análogos de "domínios" para formas de vida celular (bactérias, arquéias e eucariotos), ou seja, O ICTV usou uma palavra diferente para distinguir entre as duas árvores. (Vários anos atrás, alguns cientistas sugeriram que alguns vírus poderiam provavelmente caber na árvore das formas de vida celular; mas essa ideia não recebeu aprovação generalizada.)

O ICTV delineou os ramos da árvore do vírus e atribuiu os vírus de RNA a uma região chamada Riboviria; aliás, parte dessa área é o vírus SARS-CoV-2 e outros coronavírus, cujos genomas são RNAs de fita simples. Mas então a vasta comunidade de virologistas teve que propor grupos taxonômicos adicionais. Acontece que o biólogo evolucionista Eugene Koonin, do National Center for Biotechnology Information em Bethesda, Maryland, reuniu uma equipe de cientistas para descobrir uma primeira maneira de categorizar os vírus. Para tanto, Kunin decidiu analisar todos os genomas virais, bem como os resultados dos estudos das proteínas virais.

Eles reorganizaram a região Riboviria e propuseram mais três reinos. Houve controvérsias sobre alguns dos detalhes, disse Kunin, mas em 2020 a sistematização foi aprovada pelos membros do ICTV sem muita dificuldade. Mais dois reinos receberam luz verde em 2021, de acordo com Kunin, mas os quatro originais provavelmente permanecerão os maiores. No final, Kunin sugere, o número de reinos pode chegar a 25.

Esse número confirma a suspeita de muitos cientistas: os vírus não têm um ancestral comum. “Não existe um progenitor único para todos os vírus”, diz Kunin. "Simplesmente não existe." Isso significa que os vírus provavelmente apareceram várias vezes ao longo da história da vida na Terra. Portanto, não temos razão para dizer que os vírus não podem aparecer novamente. "Novos vírus estão aparecendo constantemente na natureza", disse o virologista Mart Krupovic, do Institut Pasteur em Paris, que esteve envolvido tanto na tomada de decisões do ICTV quanto no trabalho de pesquisa do grupo Kunin sobre sistematização.

Os virologistas têm várias hipóteses sobre as causas dos reinos. Talvez os reinos tenham se originado de elementos genéticos independentes no início da vida no planeta Terra, mesmo antes da formação das células. Ou talvez tenham deixado células inteiras, "escapado" delas, abandonando a maioria dos mecanismos celulares para manter sua existência em um nível mínimo. Kunin e Krupovich defendem a hipótese do híbrido, segundo a qual esses elementos genéticos primários "roubaram" o material genético da célula para formar partículas virais. Como existem muitas hipóteses sobre a origem dos vírus, é bem possível que existam muitas formas de seu aparecimento, diz o virologista Jens Kuhn, que trabalhou no comitê do ICTV em uma proposta para uma nova sistematização de vírus.

Apesar de as árvores virais e celulares serem diferentes, seus ramos não apenas se tocam, mas também trocam genes. Então, onde os vírus devem ser classificados - animados ou inanimados? A resposta depende de como você define "vivo". Muitos cientistas não consideram o vírus um ser vivo, enquanto outros discordam. "Tendo a acreditar que eles estão vivos", diz o cientista de bioinformática Hiroyuki Ogata, que pesquisa vírus na Universidade de Kyoto, no Japão. “Eles evoluem, têm material genético feito de DNA e RNA. E eles são um fator muito importante na evolução de todas as coisas vivas."

A classificação atual é amplamente aceita e representa a primeira tentativa de generalizar a variedade de vírus, embora alguns virologistas acreditem que seja um tanto imprecisa. Uma dúzia de famílias de vírus ainda não tem conexão com nenhum reino. “A boa notícia é que estamos tentando colocar pelo menos alguma ordem nessa bagunça”, acrescenta o microbiologista Manuel Martinez-Garcia.

Eles mudaram o mundo

A massa total de vírus que vivem na Terra é equivalente a 75 milhões de baleias azuis. Os cientistas estão confiantes de que os vírus afetam as cadeias alimentares, os ecossistemas e até a atmosfera do nosso planeta. De acordo com o especialista em virologia ambiental Matthew Sullivan, da Ohio State University em Columbus, os cientistas estão cada vez mais descobrindo novos tipos de vírus, com pesquisadores "descobrindo maneiras até então desconhecidas em que os vírus têm um impacto direto nos ecossistemas". Os cientistas estão tentando quantificar essa exposição viral.

“No momento não temos uma explicação simples para o fenômeno que está ocorrendo”, diz Hiroyuki Ogata.

Nos oceanos do mundo, os vírus podem deixar seus micróbios hospedeiros, liberando carbono, que será reciclado por outras criaturas que comem o interior desses micróbios hospedeiros e, em seguida, liberam dióxido de carbono. Mas, mais recentemente, os cientistas também chegaram à conclusão de que células em explosão muitas vezes se aglomeram e afundam no fundo dos oceanos, retendo carbono da atmosfera.

O derretimento do permafrost na terra é a principal fonte de geração de carbono, disse Matthew Sullivan, e os vírus parecem ajudar a liberar carbono de microorganismos neste ambiente. Em 2018, Sullivan e seus colegas descreveram 1.907 genomas virais e seus fragmentos coletados durante o descongelamento do permafrost na Suécia, incluindo genes para proteínas que podem de alguma forma influenciar o processo de decomposição de compostos de carbono e, possivelmente, o processo de sua transformação em gases de efeito estufa.

Os vírus também podem influenciar outros organismos (por exemplo, embaralhar seus genomas). Por exemplo, os vírus carregam genes para resistência aos antibióticos de uma bactéria para outra, e as cepas resistentes aos medicamentos podem eventualmente prevalecer. De acordo com Luis Camarillo-Guerrero, ao longo do tempo, essa transferência de genes pode causar sérias mudanças evolutivas em uma determinada população - e não apenas em bactérias. Assim, de acordo com algumas estimativas, 8% do DNA humano é de origem viral. Então, por exemplo, foi do vírus que nossos ancestrais mamíferos receberam o gene necessário para o desenvolvimento da placenta.

Os cientistas precisarão de mais do que apenas seus genomas para resolver muitas das questões sobre o comportamento dos vírus. Também é necessário encontrar os hospedeiros do vírus. Nesse caso, a pista pode ser armazenada no próprio vírus: o vírus, por exemplo, pode conter um fragmento reconhecível do material genético do hospedeiro em seu próprio genoma.

O microbiologista Manuel Martinez-Garcia e seus colegas usaram a genômica de uma única célula para identificar micróbios que contêm o vírus 37-F6 recentemente descoberto. O organismo hospedeiro desse vírus é a bactéria Pelagibacter, que é um dos organismos marinhos mais difundidos e diversificados. Em algumas regiões dos oceanos do mundo, Pelagibacter é responsável por quase metade de todas as células que vivem em suas águas. Se o vírus 37-F6 desaparecesse repentinamente, continua Martinez-Garcia, a vida dos organismos aquáticos seria severamente prejudicada.

Os cientistas precisam descobrir como ele muda seu hospedeiro para obter uma imagem completa do impacto de um vírus em particular, explica a ecologista evolucionária Alexandra Worden, do Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) em Kiel, Alemanha. Warden está estudando vírus gigantes que carregam genes para uma proteína fluorescente chamada rodopsina.

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Em princípio, esses genes também podem ser úteis para organismos hospedeiros, por exemplo, para fins como transferência de energia ou transmissão de sinais, mas esse fato ainda não foi confirmado. Para saber o que acontece com os genes da rodopsina, Alexandra Vorden planeja cultivar o organismo hospedeiro (hospedeiro) junto com o vírus para estudar o mecanismo de funcionamento desse par (hospedeiro-vírus), unido em um único complexo - "virocell".

“É apenas por meio da biologia celular que você pode dizer qual é o verdadeiro papel desse fenômeno e exatamente como ele afeta o ciclo do carbono”, acrescenta Warden.

Em sua casa na Flórida, Maya Brightbart não cultivava vírus isolados das aranhas Gasteracantha cancriformis, mas conseguiu aprender algumas coisas sobre eles. Os dois vírus até então desconhecidos encontrados nessas aranhas pertencem ao grupo que Brightbart descreveu como "incrível" - e tudo por causa de seus genomas minúsculos: o primeiro codifica o gene para a capa protéica, o segundo - o gene para a proteína de replicação.

Como um desses vírus está presente apenas no corpo da aranha, mas não em suas pernas, Brightbart acredita que na verdade sua função é infectar a presa, que é posteriormente comida pela aranha. O segundo vírus pode ser encontrado em várias áreas do corpo da aranha - na ninhada dos ovos e na prole - então Brightbart acredita que esse vírus é transmitido de pais para filhos. De acordo com Brightbart, esse vírus é inofensivo para a aranha.

Portanto, os vírus são "realmente os mais fáceis de encontrar", diz Maya Brightbart. É muito mais difícil determinar o mecanismo pelo qual os vírus afetam o ciclo de vida e a ecologia do organismo hospedeiro. Mas, primeiro, os virologistas devem responder a uma das perguntas mais difíceis, Brightbart nos lembra: "Como saber qual delas investigar no início?"

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