Новый вирус в океане
Обновлено: 17.04.2024
Пандемия, судя по последним событиям, близка к завершению, но для многих ученых она дала старт для новых исследований. Скажем, для программистов стало настоящим откровением, что в природе живут миллиарды разных вирусов, а на сегодня науке известно всего около 13 тысяч. Капля в океане! И любой может выпрыгнуть внезапно, как чертик из табакерки. Хорошо, если он будет как нынешний коронавирус уже известного вида, что позволило быстро создать вакцины. А если окажется абсолютный "мистер икс"? На поиск "вирусного океана" отправилась команда ученых из России, Франции, Канады, США и Германии.
- Прежде всего надо было понять, где искать? - рассказывает ведущий научный сотрудник Центра биоинформатики и алгоритмической биотехнологии Санкт-Петербургского госуниверситета Антон Коробейников. - Был выбран вариант, который может показаться парадоксальным: для поиска неизвестных вирусов мы обратились к уже известным генетическим базам данных. Они собраны международным сообществом за последние 20 лет благодаря прорывным методам расшифровки геномов. Чтобы найти в этих гигантских банках новые вирусы, требовалось с помощью компьютера проанализировать десятки петабайт самых разных геномных последовательностей человека, животных, растений. (Один петабайт равен 10 в 15 степени байт.)
Выбрав поле для поиска, ученым требовалось ответить на второй вопрос: как искать? Какую сеть забрасывать, чтобы выловить в нем неизвестные инфекции? Традиционные средства явно не подходили. Дело в том, что обработка даже на суперкомпьютере такого огромного объема информации требует больших вычислительных затрат. Каждый новый вирус может оказаться "золотым". Ученые решили эту проблему.
- Мы придумали своего рода трюк, - говорит Коробейников. - Сейчас многие работают в так называемых вычислительных облаках. Там каждый может покупать машинное время и вести расчеты. В любой момент времени 20-30 процентов этих мощностей простаивает. И этот промежуток стоит очень дешево. Мы решили на этом сыграть и попасть в это дешевое окно. Конечно, есть риск, что в любую минуту вас потеснят те, кто заплатил. Но трюк в том и состоит, чтобы это никак не повлияло на конечный результат.
Если совсем просто, ученые делят большую задачу на мелкие и разбрасывают их по многим свободным в данный момент серверам в облаке.
"Как только из-под тебя хотят выбить табуретку, тут же перебрасываем задачу на другой свободный сервер", - говорит Коробейников.
А мастерство программистов в том, чтобы найти самый оптимальный вариант нарезки. Так стоимость сложнейших расчетов удалось снизить с нескольких миллионов долларов до тысяч.
Сам принцип поиска новых вирусов довольно очевиден. Зная геномы уже известных инфекций, компьютер ищет в базе похожие геномные последовательности. Так удалось обнаружить новые РНК-вирусы (в их число, например, входят и коронавирусы, и вирусы гриппа). Их оказалось 130 тысяч, то есть в 10 раз больше, чем было известно до начала исследования. А к концу десятилетия ученые намерны идентифицировать около 100 миллионов новых вирусов. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Щелканов: Не хочу никого пугать, но разговоры о биотерроризме вполне актуальны. Любой инфекционный агент при грамотном его использовании может превратиться в биологическое оружие. К счастью, в мире не так много высококвалифицированных специалистов, которые могли бы изготовить и эффективно применить такое оружие. По моим прикидкам — не более пяти-семи тысяч.
Но это только слухи или все же есть доказанные случаи намеренного изготовления смертельных вирусов?
Сконструировать новый вирус de novo — теоретически возможно, но заниматься этим сегодня малоэффективно. Проще заниматься селекцией вирусных штаммов с нужными свойствами или находить в природе редкие вирусы.
И распространять их?
Эффективное распространение вирусов — отдельная научно-прикладная проблема. Подтвержденной официальной информации о том, что вирусы использует кто-то сознательно, нет. Но непреднамеренных случаев — огромное количество.
Например, сейчас на Филиппинах бушуют заболевания кокосовых пальм каданг-каданг и тинангаджа. Обе болезни вызывают гибель растений. За последние 50 лет из-за этого уничтожены десятки миллионов кокосовых пальм на Филиппинах и островах Океании.
Мало того, эти болезни чуть было не стали причиной межнационального конфликта с далеко идущими последствиями. Дело в том, что на филиппинском острове Лусон фермеры заметили очевидную закономерность: пальмы гибли лишь у тех владельцев плантаций, которые принадлежали к народности бикол, в то время как у тагалов (это другая народность) деревья не сохли. И местные сделали вывод о порче, наведенной тагальскими колдунами.
Дело шло к серьезному конфликту, поскольку биколанцы, составляющие этническое меньшинство, заподозрили попытку выдавить их с острова. В дело вмешались вирусологи и установили, что инфекция распространяется режущей кромкой мачете, при помощи которого срезают плоды с пальмы. Владельцы плантаций, естественно, предпочитали нанимать рабочих, говорящих на одном с ними языке, и бикольцы занесли вирусы соплеменникам с соседнего острова.
Но ведь для человека пальмовый вирус безопасен?
В буквальном смысле ущерба здоровью он, конечно, не наносит, однако экономические потери огромны. По имеющимся оценкам, Филиппины рискуют утратить до 60 процентов кокосовых плантаций, что повлечет потерю не менее одного миллиарда долларов. Для более мелких островных государств ущерб сопоставим с уровнем государственных доходов.
Фитовирусы способны погрузить человечество в экономический коллапс. Вот представьте, например, что такое рис для Юго-Восточной Азии. Основной кормилец! Но есть два вируса, которые при совместном действии способны полностью уничтожить урожай риса. Каково? К счастью, растения успели хорошо адаптироваться к фитовирусным инфекциям, чем нас и спасают.
Пальмы, кокосы, рис — все это как-то слишком далеко от России, поэтому многие как угрозу эти вирусы не воспринимают.
На самом деле это ошибочная точка зрения. Границы стираются. Скажем, экзотическая для России еще в середине прошлого века африканская чума свиней сегодня обсуждается в администрациях российских регионов едва ли не чаще, чем проблема эпидемического гриппа. Причина понятна: для свиней это заболевание практически стопроцентно летальное. Владельцы крупных свиноводческих предприятий могут понести колоссальные убытки, поэтому не жалеют средств, чтобы максимально обезопасить себя. Правда, обычно думают больше о своих предприятиях, нежели об окружающих природно-территориальных комплексах.
В последние пару десятилетий россияне все активнее посещают зарубежные страны с разными целями. Особенно в моде туризм по экзотическим местам. Спасает то, что в России одна из лучших в мире систем обеспечения биологической безопасности, которая досталась нам еще с советских времен. За год в нашей стране регистрируется 100-300 случаев завозных болезней. Особенно мощный поток идет из Азии. Все они быстро обнаруживаются, корректно диагностируются и оперативно локализуются, до эпидемических вспышек не доходит. Это как перманентные маневры по отражению актов биотерроризма.
И именно потому, что из Азии идет основной поток заразы, главным оплотом биологической безопасности страны решили сделать Дальний Восток, граничащий с Китаем?
Манчжурский ландшафт — это центр генетического разнообразия для многих возбудителей. В акватории Тихого океана огромное количество птичьих базаров, с которыми связаны популяции иксодовых клещей. Из них изолирован целый ряд вирусов, потенциально опасных для человека: Парамушир, Сахалин, Рукутама, Анива, Тюлений, Командоры, Охотский, Залив Терпения. И не изучать их здесь — это значит разрушать систему биологической безопасности Российской Федерации.
С 1962-го по 1989 годы ученые постоянно мониторили острова Охотского моря на предмет малоизученных вирусов. Потом эта работа была прервана. Мы возобновили плановые эколого-вирусологические экспедиции на малые острова после 20 лет их забвения для науки и уже обнаружили много интересного.
То есть человечеству снова грозит эпидемия тифа, которая может начаться на Дальнем Востоке?
Нет, конечно, так говорить нельзя. Колючие вши вместе с переносимыми ими риккетсиями паразитируют только на ластоногих животных. И то — только в дикой природе: например, в нашем Приморском океанариуме мы такого паразитизма не допускаем!
Фото: Andre Penner / AP
Изучение риккетсий, циркулирующих среди ластоногих, позволяет нам шире взглянуть на эволюцию этого рода бактерий, а следовательно — глубже понять особенности их циркуляции и патогенность в человеческой популяции. Но, говоря о паразитических микроорганизмах, следует всегда помнить о возможности преодоления ими межвидового барьера и адаптации к новым хозяевам. Например, предками всех эпидемических штаммов гриппа А являются вирусы гриппа А птиц.
Какие существуют сценарии противодействия биологическим угрозам?
Растения приобретают иммунитет против вирусов?
Представители царства растений не обладают механизмами гуморального и клеточного иммунитета, который присущ животным. Когда я говорил про безвирусный картофель, то подразумевал, что его безвирусный статус не вечен. После посадки на реальную грядку он постепенно начнет заражаться вирусами, которые настигнут его с помощью насекомых, корневых нематод, пылинок на лапках полевой мыши или на подошвах обуви сельскохозяйственного рабочего. А источником вируса может стать соседнее поле, где произрастает завирусованный картофель, или дикие растения, которые являются природным резервуаром фитовирусов.
Через несколько лет семенной фонд гарантированно придется менять. И важно при этом иметь молекулярные диагностические тест-системы, позволяющие проводить индикацию вирусов. Это основа основ безвирусного растениеводства. В разных регионах штаммовый состав вирусов может отличаться друг от друга. Ситуация на Дальнем Востоке, например, отличается от той, что в европейской части России или в Западной Сибири.
В сельском хозяйстве вообще много потенциальных опасностей. И как раз молекулярные методы исследования вирусов и их диагностики могли бы очень помочь. Сейчас критическая ситуация в пчеловодстве. Поголовье пчел, их биологическое разнообразие и урожайность меда резко снижаются. И не только в России, но и по всему миру.
Пчелы массово болеют. И как ни странно, свой вклад в это печальное явление вносит интернет. Пчеловоды знакомятся в сети на специализированных форумах и с помощью обычной почты обмениваются между собой высокопродуктивными пчелиными матками. Среди них могут быть инфицированные особи. Часто покупатель узнает об этом лишь через несколько недель. В результате таких обменов вирусы пчел стремительно распространяются. Эти вирусы сейчас не только в России. В Китае уже страшный дефицит пчел, и это сказывается на урожае. Чтобы хоть что-то спасти, китайцы ходят и сами, вместо пчел, опыляют яблони — обычными рисовальными кисточками!
Метод защиты заключается в том, что вы уничтожаете больные экземпляры и предлагаете сохранять только здоровые?
Да. Кроме того, с помощью молекулярных технологий можно спасать исчезающие виды, контролируя при этом их биологическое разнообразие. Например, сегодня мы завершаем секвенирование первого в мире митохондриального генома дикого амурского тигра. До этого изучались только тигры, содержавшиеся в зоопарках.
Не приведет ли такое вмешательство в природу, наоборот, к снижению биологического разноообразия?
Молекулярные методы как раз-таки и делают вмешательства в природные процессы максимально контролируемыми! Мы должны это понимать. Именно поэтому человечество сегодня, в лице наиболее развитых государств, включая, естественно, Россию, формирует генетические банки. Но, с другой стороны, когда мы говорим о тех же сельскохозяйственных культурах, для нас важнее набор гарантированных свойств, а именно урожайность, содержание белка и других полезных веществ.
Российская наука работает и в этом направлении. В контексте понимания механизмов патогенеза и эволюции микроорганизмов в целом — мы сейчас активно изучаем вирусы Океана. Это мировой тренд, и мы тут в авангарде. Поспорить с нами в этом направлении, пожалуй, мало кто сможет.
Совершенно очевидно, что сегодня устойчивые к антибиотикам микроорганизмы начинают потихоньку доминировать над чувствительными. И огромная проблема — где взять новые препараты. Работа ученых ведется по разным направлениям, и одно из перспективных — это как раз эндемики Дальнего Востока.
Например, водоросли красные и бурые. Предварительные результаты многообещающие. Фракции этих водорослей активно подавляют бактерии, включая устойчивые. На суше очевидные вещи уже обнаружены и использованы. В океане мы только-только начинаем двигаться к неведомым горизонтам!
Учёные всерьёз обеспокоены появлением абсолютно неизвестных вирусов. Американские вирусологи изучили более 35 тысяч проб мирового океана с целью обнаружить новые, ранее не открытые виды. Дело в том, что льды Антарктиды и Арктики – это природный холодильник, который может сохранять примитивные формы жизни в состоянии анабиоза на долгие тысячи лет.
Потенциальная опасность таяния ледников заключается не только в поднятии уровня Мирового океана, но и в том, что в миллионах тонн льда могут содержаться вирусы и бактерии, которые тысячи лет назад вызывали вымирания. Попав в удовлетворительную среду, микроорганизмы, как правило, начинают размножаться, что приводит к быстрому распространению их по земному шару.
Исследователи из Университета Огайо изучили наличие вирусов в океанической воде, взятой в более чем 1,5 тысячах разных точек мира. На данный момент, после полного обследования всех проб, официальный представитель исследований заявил, что удалось обнаружить ранее неизвестных 5478 вирусов. Данная цифра невероятно страшна! Однако, учёные считают, что, скорее всего, способность причинить вред человеку есть всего лишь у 1 % из этого количества.
Тем не менее, проблема таяния ледников и просыпания древних вирусов стоит на повестке дня. Если биологи правы, и эволюция существует, то любой из них может стать причиной серьёзных проблем для человечества. Исследователи из Университета Огайо собираются продолжить свои исследования и систематизировать открытые виды вирусов. На сегодняшний день удалось выявить пять совершенно новых типов неклеточных инфекционных агентов.
Представители другой организации – NOAA(Национальное управление океанических и атмосферных исследований) заявляют, что в океане, вероятно, происходят свои эпидемии. Возможно, некоторые из открытых вирусов помогут приоткрыть и эту тайну. Биосфера на суше постоянно меняется – вымирают одни виды, открываются другие (может быть, даже появляющиеся эволюционным путём). Леса сменяются степями, озера – болотами, луга – пустынями и наоборот. Есть предположение, что и в океане происходит то же самое. Не факт, что у рыб есть антитела для всех вирусов, находящихся в толще воды. Особенно, если учесть, что некоторые из них потенциально провели несколько десятков тысяч лет во льдах и теперь, проснувшись, готовы вновь начать свою охоту.
В заключении хочу добавить немного от себя. Я сторонник теории панспермии. С ледяными метеоритами, в моём понимании, на Землю могут прилетать бактерии и вирусы других экзопланет в состоянии анабиоза. Попав в пригодные для размножения условия, они вполне способны прижиться и стать настоящей головной болью для людей. Что касается Антарктиды и Арктики, то если уж, теоретически, к нам могут прилетать вирусы из космоса, то во льдах на Земле их просто не может не быть! Так что, стоит следить за исследованиями Университета Огайо.
Все классические методы оказались абсолютно непригодными для обнаружения таких вирусов. Именно поэтому открытие первого морского вируса не было воспринято всерьез.
Такая возможность доказать, что такие вирусы не случайность, а законамерность, появилась только после разработки суперсовременных молекулярных технологий, позволяющих определять фрагменты вирусных геномов в водной среде.
Потребовалось еще почти полвека, чтобы получить данные, что вирусы в фантастическом количестве заселяют воды Мирового океана, составляя до 98% океанической биомассы!
Эти вирусы могут круглосуточно, днем и ночью, заражать и размножаться в организмах всех обитателей океанов — от китов до бактериопланктона, фитопланктона, микрозоопланктона.
Их число просто фантастично, и многократно превышает численность всех живущих на суше и в воде существ . Например, в 1 мл морской воды содержится до 250 млн вирусов, а суммарное их число достигает несколько квинтиллионов и намного больше, чем количество звезд на небе.
Порядок этих немыслимых чисел невозможно себе реально представить, поэтому прибегают к сравнениям. Так, один известный вирусолог, специ алист по биологии морской среды, произвел расчеты и показал, что если вы строить все вирусы в ряд, то получится цепочка длиной в 1020 в 20 степени километров , или 10 млн световых лет. Это во много раз больше протяженности Млечного Пути.
Вирусы Мирового океана отличаются неприхотливостью и выживаемо стью в неблагоприятных условиях.
Ежесекундно в морях и океанах зарож дается 10 в 23 степени вирусных инфекций, поражающих триллиарды жизней морской фауны.Вирусы в океанах являются основными агентами, ответственными за бы строе уничтожение вредных водорослей, которые часто убивают других морских обитателей. Число вирусов в океане уменьшается в глубинах и вда леке от берега, где меньше организмов хозяев. Как и любые другие организ мы, морские млекопитающие восприимчивы к вирусным инфекциям. Так, в 1988 и 2002 гг. тысячи тюленей были убиты вирусом тюленьей чумки. Многие другие вирусы, в том числе калицивирусы, герпес вирусы, аденовирусы и парвовирусы, обнаружены в популяциях морских млекопитающих.
Подсчитано, что вирусы убивают в сутки приблизительно 20% биомассы океана. Этот материал, разрушенный до кирпичиков, тут же утили зируется и обеспечивает воспроизводство такого же количества новых ор ганизмов. Вот такое невидимое для нас вечное движение!
Становится все более ясным, что вирусы играют выдающуюся роль в эко логии, энергетике и питании живых существ, обитающих в океане. Они очи щают светящиеся водоросли, производя, таким образом, до 50% кислорода Земли!
Кроме того, вирусы Мирового океана регулируют постоянный рост всей биомассы одноклеточных организмов океана, что влияет на все живое на планете.
Существование и функционирование вирусов Мирового океана доказывает их выдающуюся роль в эволюции органического мира!
Образцы морской воды, собираемые по всему миру, дают учёным сведения о неизвестных ранее вирусах. В результате меняется наше понимание эволюции этих субмикроскопических частиц. Одно такое исследование на днях было опубликовано в журнале Science. Международная группа биологов выявила более 5000 плохо изученных или ранее неизвестных науке видов РНК-содержащих вирусов.
Каждый обнаруженный вид является новым
Учёные из консорциума Tara Oceans (его цель — изучение влияния изменений климата на океан) проанализировали 35 тысяч проб воды с планктоном, взятых в 121 месте во всех океанах мира. Они искали вирусы, которые используют в качестве генетического материала молекулу РНК, а не ДНК. В то время как сотни тысяч ДНК-вирусов давно изучены в их естественных экосистемах и внесены в каталоги, с РНК-вирусами дело обстоит сложнее.
Учёные объединили алгоритмы машинного обучения с традиционными методами анализа эволюции РНК-вирусов. В результате было идентифицировано 5500 новых видов. Часть их относится к уже известным типам вирусов, остальные пять групп исследователи назвали Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota и Arctiviricota. Самая многочисленная — Taraviricota, эти вирусы чаще встречаются в умеренных и тропических водах Мирового океана. А вот, скажем, вирусы типа Arctiviricota широко распространены в Северном Ледовитом океане.
Древнейший ген на Земле
Прежде всего исследователей интересовал ген под названием RdRp, содержащийся во всех РНК-вирусах. Он является одним из самых древних генов: ему миллиарды лет, всё это время он менялся и эволюционировал, причём только в РНК-вирусах — в других вирусах или клетках его нет.
Несмотря на то что учёные выявили так много новых вирусов, пока сложно сказать, какие организмы они способны заражать. В настоящее время исследования ограничены в основном фрагментами неполных геномов РНК-вирусов, отчасти из-за их генетической сложности и технологических ограничений.
Нападут ли они на нас?
Так могут ли обнаруженные в океанской воде (точнее — в планктоне) вирусы угрожать людям?
«Что касается вирусов человека, то более-менее выявлено примерно 80% из них. В отношении вирусов других классов и видов живых существ эта цифра намного меньше, — комментирует исследование зарубежных коллег заведующий лабораторией биотехнологии и вирусологии факультета естественных наук Новосибирского государственного университета, доктор биологических наук Сергей Нетёсов. — Мы знаем, что в человеческую популяцию могут проникать и проникают некоторые вирусы млекопитающих, тех же летучих мышей. Но до сих пор неизвестно ни одного вируса рыб или растений, которые вызывали бы болезни у человека. Хорошо, что учёные открывают новые вирусы в морях и океанах. Однако это не значит, что все они завтра на нас нападут.
Читайте также: