Badanie: większości wirusów obecnych w naszym otoczeniu wciąż nie znamy

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.

Jak wyjaśnił w rozmowie z PAP, 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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

Katarzyna Czechowicz (PAP)

kap/ agt/