Mokslas ir IT

2019.05.06 20:31

Gurkšnis jūros vandens: kas patenka į mūsų organizmą netyčia jo gurkštelėjus

Mokslininkai atrado beveik 200 tūkst. vandenynuose gyvenančių virusų rūšių, o jūrose esančių virusų gali būti dvylika kartų daugiau, nei manyta iki šiol. Lietuvos mokslininkai tikina, kad tokie virusai žmogaus sveikatai nepavojingi, o žmonėms labiau reiktų saugotis fekalijomis užteršto vandens ir jūros gėrybių iš jo.

Žinome gal tik apie 10 proc. 

Kaskart gurkštelėję jūros vandens, praryjame maždaug tiek virusų, kiek Šiaurės Amerikoje yra gyventojų. Visgi mokslininkai apie virusų įvairovę žino palyginti nedaug.

Pasak Vilniaus universiteto Gamtos mokslų centro (VU GMC) profesorės Aurelijos Žvirblienės, šis skaičius pašoko ne todėl, kad tiek daug naujų virusų atsirado, bet dėl modernesnių metodų, kurie taikomi tiriant virusus. Tie metodai leidžia efektyviau tirti virusų įvairovę, identifikuoti naujus virusus.

Jai pritaria ir VU GMC mokslo darbuotoja, dr. Laura Kalinienė. Jos teigimu, nors virusų skaičiai nemaži, dauguma jų funkcijų vis dar nėra ištirtos – tai brangus ir daug laiko bei pastangų reikalaujantis procesas.

„Nors apie virusus žinome pakankamai mažai, identifikuota tik apie 10 proc. visų virusų, tyrimai vyksta ir toliau, todėl ateityje jų ištyrimas prisidės prie naujų galimybių medicinoje, farmacijoje kūrimo. Nors virusų tyrimas yra brangus ir reikalaujantis daug laiko bei pastangų užsiėmimas, žingsniai šioje srityje daromi“, – pasakojo ji.

Pavojų kelia tarša, o ne virusai

Dr. L. Kalinienė atskleidžia, kad dauguma jų yra nepavojingi žmonėms, nes tai virusai, kurie dauginasi bakterijose ar kituose vandenyne gyvenančiuose organizmuose: „Be to, buvimas vandenyje nėra įprasta aplinka žmonėms, todėl kalbant apie pavojus, norėčiau patikslinti, kad didžiausi pavojai slypi dėl vandens taršos (pavyzdžiui – fekalinės). Pavyzdžiui, suvalgę termiškai neapdorotų jūros gėrybių, buvusių fekalijomis užterštame vandenyje, galime susirgti įvairiomis ligomis.“

Prof. A. Žvirblienės teigimu, kaip mokslininkai ir teigia šiame straipsnyje, virusai yra neatskiriama visos vandenyno ekosistemos dalis, todėl jie dalyvauja bandrame vandenyno maistinių medžiagų cikle bei anglies dvideginio apykaitoje. Jie dalyvauja visuose procesuose, kurie vyksta vandenyne, taip pat ir tuose, kurie susiję su visuotiniu atšilimu.

2015 m. Tarptautinė mokslininkų komanda užfiksavo 5 tūkst. 476 skirtingas vandenyne esančių virusų rūšis. 2016 m. ta pati komanda padidino šį skaičių iki 15 tūkst. 222 egzistuojančių virusų.

Tiesa, „Cell“ publikuotame naujausiame tyrime vandenyno virusų skaičius staiga stulbinančiai pašoko į viršų. Tyrimo duomenimis, skirtingų virusų rūšių yra daugiau kaip 195 tūkst.

Net dvylika kartų daugiau virusų buvo aptikta per ekspediciją, kurios metu iš viso pasaulio vandenynų buvo imami mėginiai. Beje, buvo atlikta ir gerokai išsamesnė genominė analizė.

Nors vandenynai dengia 70 proc. mūsų planetos paviršiaus, su juose esančių virusų įvairove susipažinome mokslininkams ištyrus vos keletą vandenynų vietų. Situacija pasikeitė po „Tara Oceans“ projekto, kurio metu mokslininkai siekė kuo išsamiau ištirti vandens mikrobų ir virusų įvairovę visame pasaulyje. Tyrėjų komanda buriniu laivu „Tara“ apiplaukė ir surinko mėginius iš visų Žemės vandenynų. Naujojo tyrimo metu buvo surinkti mėginiai iš 43 Arkties regiono vietų, kurios nebuvo tyrinėtos 2015 m. ir 2016 m.

Virusų genomo atkodavimas

Maždaug 40 proc. naujų virusų rūšių buvo atrastos anksčiau netyrinėtame Arkties regione paimtuose mėginiuose. Kitos rūšys buvo pastebėtos dar sykį išanalizavus jau anksčiau surinktus mėginius. „Algoritmai, kuriais naudojamės bandydami DNR atkoduoti virusų genomus, smarkiai patobulėjo“, – kalbėjo Belgijos katalikiškojo universiteto aplinkos mikrobiologijos specialistė, viena pagrindinių tyrimo autorių Anna Gregory.

Mokslininkams teko ne tik iš atskirų fragmentų sujungti DNR, bet ir nuspręsti, kaip klasifikuoti aptiktus virusų genomus. Apibrėžti virusų rūšis nėra lengva, nes virusai dauginasi aseksualiu būdu ir dažnai vienas su kitu arba su savo šeimininku apsikeičia DNR.

A. Gregory virusus suskirstė ne į rūšis, o į populiacijas, kuriose pastebimas didesnis genų srautas nei tarp virusų grupių. Bent 95 proc. savo DNR besidalijančius virusus mokslininkė priskyrė tai pačiai populiacijai.

Šiuo metodu buvo atrasta beveik 200 tūkst. virusų populiacijų. Maždaug 90 proc. virusų nepavyko priskirti jokiai žinomai virusų taksonomijai, todėl jie buvo pripažinti visiškai naujais. Ir nors virusai tradiciškai nėra skirstomi į gentis, A. Gregory padarė išvadą, kad tyrinėjamų populiacijų įvairovė vis dėlto priminė naujas gentis.

Virusų bendruomenės

Tyrėjai priėjo išvadų, kad egzistuoja penkios bendruomeninės virusų grupės, kurios pagal temperatūrą ir gylį yra pasiskirsčiusios penkiose atskirose vandenynų ekologinėse zonose: arktinėje, antarktinėje, vidutinio klimato ir tropinėje paviršiaus, vidutinio klimato ir tropinėje požeminėje ir vandenyno gelmėje.

Šių bendruomenių genomuose tyrėjai aptiko, kad virusai sugeba genetiškai prisitaikyti prie kiekvienos ekologinės zonos. „Geriausiai tirti bendruomenių struktūrą padėjo temperatūros sąlygos“, – sakė tyrime dalyvavęs Ohajo valstijos universiteto studentas Ahmedas Zayedas. Kintanti temperatūra palaiko skirtingas mikrobų šeimininkų bendruomenes, todėl virusai prie jų prisitaiko, aiškino A. Zayedas.

Pastebėti virusų biologinės įvairovės ypatumai ne visai sutampa su anksčiau pripažintomis ekologinėmis tendencijomis. „Didžiausia virusų įvairovė pastebima ties pusiauju ir mažėja judant ašigalių link“, – aiškino A. Zayedas. Tyrėjai iš tiesų pastebėjo didesnę virusų įvairovę ties pusiauju, bet taip pat didelį mikrobų kiekį rado ir Arkties regione.

„Nustebome išvydę, kad Arktyje tokia didžiulė biologinė įvairovė. O tai yra ypač svarbu, nes šio regiono vandenys dėl klimato kaitos kinta greičiausiai“, – kalbėjo Ohajo valstijos mikrobiologas ir vyresnysis tyrimo autorius Matthew Sullivanas. Pasak A. Gregory, norint suprasti, kodėl Arktyje tokia didelė virusų ir mikrobų įvairovė, reikia atlikti išsamesnius tyrimus. Greičiausiai tai susiję su mažesnėmis šaltuose vandenyse gyvenančių virusų šeimininkų ląstelėmis. „Jei šeimininkai yra mažesni, vadinasi, jų yra daugiau. Tai gali lemti didesnę virusų įvairovę.“

M. Sullivanas nelinkęs tikėti, kad po kelerių metų mokslininkai dar atras gerokai daugiau virusų rūšių. „Ar manau, kad atrasime dar daugiau virusų? Žinoma, bet tikiuosi, kad šiuo tyrimu mums pavyko užfiksuoti didžiąją dalį virusų, – kalbėjo vyras.

Virusai – aplinkos terapeutai

Pasak Britų Kolumbijos universiteto aplinkos mikrobiologijos eksperto Curtiso Suttle`o, virusai atlieka itin svarbų vaidmenį globaliuose biogeocheminiuose cikluose. Pavyzdžiui, jie dalyvauja anglies cikle, kuomet anglis juda tarp Žemės biosferos ir atmosferos. „Ilgą laiką bandžiau įrodyti, kad vandenynuose esantys virusai yra labai svarbūs, – kalbėjo tyrime nedalyvavęs C. Suttle`as. – Labai svarbu pristatyti tokius tyrimo duomenis, kad suprastume virusų svarbą globalios reikšmės procesuose.“

C. Suttle`as paaiškino, kad šiuo metu vandenynai sugeria maždaug pusę žmonių išmetamo anglies dioksido kiekio, ir jis vis didėja. Pasak C. Suttle`o, kasdien virusai sunaikina maždaug 20–30 proc. viso pasaulio bakterijų populiacijos. Virusinei infekcijai sunaikinus bakteriją, sprogsta jos ląstelių sienelės. „Visas bakterijoje susikaupęs anglies dioksidas patenka į vandenynus“, – kalbėjo vyras, o dalis nusėda vandenyno gelmėse.

Pasak C. Suttle`o, kai kurie mokslininkai galvojo, kad vieną dieną virusai pravers anglies ciklui ir sumažins anglies dioksido kiekį atmosferoje. Fagų terapiją kaip antibiotikais gydomų infekcijų alternatyvą studijuojantis ir virusais susidomėjęs M. Zayedas šią potencialiai rizikingą geoinžinerinę schemą vadina „fagų terapija aplinkai.“

Patys sėkmingiausi pasaulyje

Mažyčiai genetinio kodo ryšulėliai yra patys sėkmingiausi parazitai visame pasaulyje. Virusai yra mažiausi biologiniai replikatoriai planetoje – jie yra maždaug 100 kartų mažesni net už bakterijas. Iš mažytės genetinio kodo gijos, uždengtos nedideliu baltymų kiautu, sudaryti virusai net negali patys vieni išgyventi. Be to, mokslininkai net nėra tikri, ar jie apskritai yra gyvi.

Gyvų organizmų ląstelės turi savas molekulines „gamybos linijas“, sukuriančias laikinas genų kopijas ir pasiunčiančias jas per molekulines mašinas, vadinamas ribosomomis. Šios perskaito genetinį kodą ir jį panaudoja kaip instrukciją baltymams surinkti. Paprasčiausiems gyviems organizmams prireikia 150–300 genų, kad būtų pagaminti visi išgyventi reikalingi baltymai. Tiesa, virusams tiek genų nereikia: jiems gali užtekti vos keturių. Šie parazitai paprasčiausiai užgrobia kitas ląsteles ir jas paverčia naujų virusų gamyklomis.

Virusai savo genetinį stygių kompensuoja visa tai „pasiskolindami“ iš užkrėstų ląstelių. Savo ribosomų virusai neturi, todėl jie genetinį kodą įterpia į kitų organizmų molekulines mašinas, taip perimdami gamybos linijos kontrolę. Apkrėstosios ląstelės liaujasi gaminusios savus baltymus, pradeda skaityti viruso genetinį kodą ir surinkinėti virusinius baltymus.

Viruso branduolys yra jo genetinis kodas, kurį sudaro tokios pat biologinių raidžių sekos, kokias naudoja gyvi organizmai. Dalis virusų turi dvi DNR vijas kaip mes, kiti išsiverčia vos su viena, o kai kurie savo genus saugo RNR pavidalu.

Genetinė informacija yra itin trapi, todėl virusams reikėjo būdo, kaip ją apsaugoti perkeliant iš vienos ląstelės į kitą. Dalis pačių svarbiausių jų genų koduoja instrukcijas, kaip sintetinti baltymus, sudarančius apsauginį apvalkalą, vadinamą kapside.

Kapsidės baltymai suformuoja pasikartojančias struktūras, kurios susirakinusios viena su kita sudaro trimatę apvalkalo formą. Dėl tokio kristalinio pobūdžio virusams užtenka vos kelių genų, kad apsirūpintų pilnu skydu.

Kaip virusas padaro žalos?

Ląstelės mėgina apsiginti nuo virusų. Jos sunaikina laisvą genetinį kodą ir imuninei sistemai pasiunčia signalus, pranešančius apie infekciją. Vis dėlto virusai „sugalvojo“, kaip apeiti šias gynybines linijas, o kartu įgijo savybių, leidžiančių padaryti žalos užkrėstajam – šis gebėjimas yra vadinamas virulentiškumu.

Daugybė virusų sukelia ligas, kurios atitraukia sveikas ląsteles nuo įprastinės savo veiklos. Tai, kiek žalos virusas padarys, priklauso nuo to, kokią ląstelę apkrečia, kokį poveikį padaro molekulinei mašinai. Vienos rimčiausių problemų kyla tuomet, kai virusai apkrečia imunines ląsteles, tokiu būdu trukdydami organizmui kovoti. Ebola, Marburgo virusas ir ŽIV – visi jie pažeidžia būtent imuninę sistemą.

Visgi virusai nėra tik blogiečiai: infekcijos padėjo sureguliuoti tai, kaip dabar veikia mūsų kūnai. Žmogaus genomo tyrimai atskleidė, jog apie 8 procentus mūsų genetinio kodo sudaro virusų genetinės medžiagos fragmentai.

Pavyzdžiui, žmogaus endogeninis retrovirusas W (HERV-W) kodavo baltymus, kurie kadaise sudarė išorinį viruso apvalkalą ir padėjo jam susilieti su ląstelėmis. Mūsų protėviai šį kodą prisitaikė taip, kad jis gamintų naujus baltymus, padedančius susilieti ląstelių membranoms ir suformuoti placentą. Jeigu ne šių senovinių virusinių infekcijų palikimas, greičiausiai šiandien mūsų nė nebūtų.

Virusų pasaulio milžinai

Virusų genomai įprastai būna mažyčiai, sudaryti vos iš maždaug 3000 genetinių raidžių. Palyginti, mūsų pačių genomą sudaro apie 3 milijardai šių raidžių. Virusų genetinis kodas yra itin mažas, o visa kita jie pasiskolina iš ląstelių, kurias apkrečia. Visgi egzistuoja ir keletas iš šio bendro vaizdo išsiskiriančių megavirusų, tokių kaip mimivirusai (lot. Mimivirus), kurių išpūstus genetinius kodus sudaro net 1,2 milijono raidžių.

Šie virusai yra tokie milžiniški, jog pirmą kartą juos išvydę tyrėjai pamanė, jog tai yra bakterijos. Skirtingai nuo daugumos virusų, mimivirusai turi genus, atsakingus už baltymų statybą, o tai leidžia numanyti, kad jie išsivystė iš organizmo, kuris kadaise galėjo pasirūpinti savimi ir be šeimininko. Tiesa, yra ir alternatyvi hipotezė, pasak kurios, šie virusai pavogė genus iš apkrėstų ląstelių.

Gyvi ar negyvi?

Nors virusai neatitinka gyvų organizmų apibrėžimo, tačiau jie pasižymi kai kuriomis gyvybei būdingomis savybėmis. Pavyzdžiui, jie naudoja tas pačias molekulines statybines medžiagas kaip ir kiti gyvi organizmai – RNR, DNR ir baltymus. Be to, virusai evoliucionuoja ir patyrė sudėtingų genetinių pakitimų, leidusių prisitaikyti prie specifinių jų aplinkų.

Nors virusai turi apsauginį baltymų apvalkalą, tačiau neturi membranos, jie nėra ląstelės. Tarp ląstelių plūduriuojantys virusai nenaudoja jokios energijos. Jie paprasčiausiai egzistuoja.Virusai negali kopijuoti savo pačių genetinio kodo – jiems reikia už juos tai padarančių gyvų ląstelių.