Тысячи неизвестных вирусов скрываются в городах по всему миру

Фото из открытых источников

В ходе глобального исследования, охватившего 102 города, было обнаружено почти 55 000 РНК-вирусов, большинство из которых ранее были неизвестны науке, что раскрыло скрытый мир вирусного разнообразия. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Большая часть знаний о РНК-вирусах получена из изучения вирусов, вызывающих заболевания, таких как грипп, денге, вирус Зика и вирус, вызывающий COVID-19. Изучив все, от поручней в метро до городских сточных вод и почвы, исследователи обнаружили, насколько велико было незамеченное разнообразие вирусов.

Из почти 55 000 РНК-вирусов, обнаруженных международной группой исследователей в 102 городах и их окрестностях, большинство ранее никогда не были зарегистрированы. Другими словами, города представляют собой гораздо более разнообразный мир, чем это было установлено учёными.

«Нам были знакомы несколько вирусов, вызывающих заболевания, но мы сильно недооценили разнообразие вирусов в природе», — сказал соавтор исследования профессор Антонио Педро Камарго из Института химии Университета Сан-Паулу. «Когда вы ищете вирус, основываясь на заболевании, уже присутствует предвзятость, потому что все вирусы, которые не вызывают заболеваний, в конечном итоге игнорируются. Как только мы сможем анализировать содержимое образца без учета этого искажения, мы получим более широкое представление о разнообразии вирусов».

Команда не смогла выделить или вырастить ни одного вируса. Все результаты были получены на основе генетического кода, который исследователи считали из образцов. В ходе подобных исследований ранее уже обнаруживались ранее не зарегистрированные виды в океанской воде и даже у морских черепах.

Как пишут авторы, городам, где проживает 56,2% населения мира, по сравнению с остальным миром уделялось гораздо меньше внимания.

В период с марта по июль 2020 года, когда пандемия уже бушевала, члены консорциума MetaSUB проводили дезинфекцию поверхностей, к которым прикасаются многие люди. Этот консорциум представляет собой международную сеть, изучающую микроорганизмы в городах, и его команды брали мазки с перил, скамеек и билетных автоматов.

Следуя единой стандартной процедуре в каждом городе, они собрали 1862 образца на транспортных станциях, в больницах, банках и других местах скопления людей. Остальные 1060 образцов команда извлекла из общедоступной генетической базы данных.

Эти вещества поступали из почвы, осадочных пород, пресной воды, сточных вод и теплиц, а также от некоторых животных, продаваемых в качестве продуктов питания на местных рынках. В общей сложности исследование охватило 2922 образца из 102 городов в 31 стране, включая Сан-Паулу.

РНК-вирус хранит свои генетические инструкции в РНК, молекуле, родственной ДНК. Вместо того чтобы выбирать один организм за раз, исследователи считывали всю РНК в каждом образце одновременно.

«Представьте, что вы берете в руки горсть земли. В ней вы найдете бактерии, бактериальные вирусы бактериофаги, другие микроорганизмы, насекомых — все, что только можно себе представить», — объяснил Камарго.

В результате секвенирования было получено более 100 миллиардов коротких фрагментов генетического кода, которые команда объединила в почти 300 миллионов более длинных участков. Ни один из них не был помечен.

«У вас будет множество фрагментов генома, и поначалу вы не будете знать, что это такое. Это просто последовательности букв», — сказал Камарго. «Задача состоит в том, чтобы выяснить, чему соответствует каждый фрагмент генома. Это бактерия? Это вирус? Если это вирус, то какого типа?»

Сортировку выполнила компьютерная программа geNomad, разработанная Камарго. По его словам, она «позволяет нам обрабатывать миллионы фрагментов последовательности генетического материала и определять, какие из них соответствуют вирусным геномам».

В ходе программы сотни тысяч таких участков были идентифицированы как генетический материал РНК-вирусов. После группировки практически идентичных последовательностей и проведения проверок качества у команды осталось 54 945 различных вирусных последовательностей.

Лишь 12 487 из них, около 23%, соответствовали чему-либо уже зарегистрированному. Остальные 77% были новыми для науки. Даже эта сумма неполна. Практически во всех типах образцов, от мазков из больниц до образцов почвы, каждый новый образец, проанализированный командой, обнаруживал вещества, которые ранее не встречались. Таким образом, 54 945 — это лишь часть того, что существует в этих местах.

«Уровень вирусного разнообразия очень высок — выше, чем мы предполагали ранее. Думаю, в этом и заключается главный смысл статьи», — сказал Камарго.

Большинство РНК-вирусов кодируют фермент, который копирует их генетический материал. Ученые могут сравнивать различные варианты этого фермента, чтобы проследить их эволюционные связи.

Официальное генеалогическое древо, которое ведет Международный комитет по таксономии вирусов, имеет пять крупных ветвей, называемых филами. Большинство новых находок попало в одну из этих пяти категорий. Небольшая группа оказалась в другой. Семь групп последовательностей образовали две собственные глубокие ветви.

Команда предложила их в качестве двух потенциальных типов, наряду с новым классом, представляющим собой меньшую группу, и несколькими группами, которые пока никуда не подходят. Один из предполагаемых типов был обнаружен преимущественно в сточных водах, почве и отложениях, а другой — в основном на лугах. Оба типа встречались только в образцах из Северного полушария.

«Всё это вычислительные процессы. Для того чтобы официально заявить, что это действительно совершенно новые группы, необходима дополнительная информация», — сказал Камарго.

Всё это не означает, что города переполнены новыми микробами, вызывающими заболевания. Команда смогла связать лишь около трети обнаруженных микробов с вероятным носителем — живым организмом, который каждый из них заражает, — и более половины из них, вероятно, являлись бактериофагами.

Это противоречит более ранним исследованиям, предполагавшим, что РНК-вирусы в основном поражают растения, животных, грибы и другие живые организмы, клетки которых имеют ядро, написали авторы.

Небольшая часть обнаруженных паразитов может заразить животных с позвоночником. Проверив базу данных задокументированных случаев заражения этих животных, команда выявила 60 случаев, которые с высокой вероятностью могут заразить человека, и 47 случаев, которые с высокой вероятностью могут заразить других млекопитающих.

Из 60 обнаруженных веществ 19 были выявлены в образцах, взятых в городе, а 34 — в образцах животных. Вирус, вызывающий COVID-19, был обнаружен и в образцах, взятых в городах, вероятно, потому что большинство тестов проводилось во время пандемии.

Бактерии хранят короткие фрагменты генетического кода вирусов, которые их заразили. Сопоставив эти фрагменты, команда обнаружила 166 бактериофагов, которые ранее инфицировали четыре устойчивые к лекарствам внутрибольничные бактерии из группы ESKAPE. Почти 100 из них инфицировали один вид бактерий — золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus).

Авторы предложили изучать их для фаготерапии, которая использует бактериофаги для уничтожения вредных бактерий.

Улицы, банки, вокзалы и магазины демонстрировали меньшее разнообразие, чем почва и осадки. Образцы из оживленных мест, где много людей, также были более похожи друг на друга. Авторы предположили, что деятельность человека, как правило, делает эти сообщества более однородными.

Исключением стали сточные воды, показавшие одно из самых разнообразных составов за весь период исследования. Авторы пишут, что это подтверждает эффективность мониторинга сточных вод как способа отслеживания того, что циркулирует в городе.

В образцах, взятых в больницах Сан-Паулу (Бразилия) и Исламабада (Пакистан), было обнаружено больше представителей семейств, вызывающих заболевания у животных с позвоночником, чем в образцах из Балтимора и Сеула.

«Из этого очень сложно сделать какие-либо биологические выводы. Возможно, это просто проблема с выборкой», — сказал Камарго.

Выборка была неравномерной. Все образцы из Франции были взяты из теплиц, а 97,8% образцов из Польши — из станций метро или автобусных остановок. При таких условиях команда не могла определить, зависит ли разница от типа местности или от самой страны.

Более 92% последовательностей в атласе короче 5000 генетических букв. Из образцов удалось получить лишь небольшое количество полных или почти полных геномов. Даже совпадения с известными носителями вируса основаны на сходстве с ними, что может ввести в заблуждение, поскольку РНК-вирусы быстро изменяются.

Команда назвала эту коллекцию Атласом РНК-вирусов городских и пригородных районов, или UPVAtlas, где под пригородными районами подразумеваются территории вокруг городов. Это дает отправную точку для будущих исследований, позволяя сравнивать состав населения города сегодня с составом населения того же города через несколько лет.

Понимание этого разнообразия важно для Камарго, потому что вирусы постоянно эволюционируют.

«Этот процесс тесно связан с их способностью заражать организмы, поскольку вирусы выживают только в том случае, если могут размножаться внутри клеток хозяина», — сказал он.

Вопрос о том, какие из новых открытий имеют значение для здоровья человека, остается открытым. Авторы призвали к более сбалансированному отбору проб в разных странах и повторному отбору проб в одних и тех же городах с течением времени, а также к использованию методов, позволяющих восстанавливать целые геномы, а не фрагменты.