Za każdym razem, gdy dochodzi do wybuchu poważnej choroby, jedno z pierwszych pytań, jakie zadają naukowcy i opinia publiczna, brzmi: „Skąd to się wzięło?”

Aby przewidywać przyszłe pandemie, takie jak COVID-19, i zapobiegać im, naukowcy muszą znaleźć pochodzenie wirusów, które je wywołują. To nie jest trywialne zadanie. pochodzenie HIV nie było jasne aż do 20 lat po rozprzestrzenieniu się na całym świecie. Naukowcy wciąż nie znają pochodzenia wirusa Ebola, mimo że ma powodował okresowe epidemie od lat 1970.

Jak ekspert w dziedzinie ekologii wirusowej, często jestem pytany, jak naukowcy śledzą pochodzenie wirusa. W swojej pracy znalazłem wiele nowych wirusów i kilka dobrze znanych patogenów, które infekują dzikie rośliny bez powodowania jakiejkolwiek choroby. Roślinne, zwierzęce czy ludzkie, metody są w dużej mierze takie same. Wyśledzenie pochodzenia wirusa wymaga połączenia szeroko zakrojonych badań terenowych, dokładnych testów laboratoryjnych i odrobiny szczęścia.

Wirusy przeskakują z dzikich zwierząt na ludzi

Wiele wirusów i innych czynników chorobotwórczych, które zarażają ludzi, pochodzi od zwierząt. Te choroby są zoonotyczny, co oznacza, że ​​są powodowane przez wirusy zwierzęce, które przeniosły się na ludzi i przystosowały do ​​rozprzestrzeniania się w populacji ludzkiej.

Może być kuszące, aby rozpocząć poszukiwanie pochodzenia wirusa od przetestowania chorych zwierząt w miejscu pierwszej znanej ludzkiej infekcji, ale dzikie żywiciele często nie wykazują żadnych objawów. Wirusy i ich gospodarze z czasem dostosowują się do siebie, więc wirusy często nie powodują wyraźnych objawów choroby, dopóki nie przeskoczył do nowego gatunku gospodarza. Badacze nie mogą po prostu szukać chorych zwierząt.

Innym problemem jest to, że ludzie i ich zwierzęta, którymi się jedzą, nie są nieruchome. Miejsce, w którym badacze znajdują pierwszą zarażoną osobę, niekoniecznie jest blisko miejsca, w którym wirus pojawił się po raz pierwszy. Wyzwaniem w śledzeniu pochodzenia wirusa jest szeroki zakres próbek od ludzi i zwierząt, które należy zebrać i przetestować. LLuis Alvarez / DigitalVision przez Getty Imagesty

W przypadku COVID-19 nietoperze były oczywistym pierwszym miejscem, w którym należy szukać. Są znanymi gospodarzami wielu koronawirusów i są prawdopodobnym źródłem innych chorób odzwierzęcych, takich jak SARS i MERS.

W przypadku SARS-CoV-2, wirusa wywołującego COVID-19, najbliższy krewny, jaki naukowcy odkryli do tej pory, to: BatCoV RaTG13. Wirus ten jest częścią kolekcji koronawirusów nietoperzy odkrytych w 2011 i 2012 roku przez wirusologów z Instytutu Wirusologii Wuhan. Wirusolodzy szukali koronawirusów związanych z SARS u nietoperzy po Pandemia SARS-CoV-1 w 2003 r.. Pobrali próbki kału i wymazy z gardła nietoperzy na stanowisku w prowincji Yunnan, około 932 kilometrów od laboratorium instytutu w Wuhan, skąd przywieźli próbki do dalszych badań.

Aby sprawdzić, czy koronawirusy nietoperzy mogą rozprzestrzeniać się na ludzi, naukowcy zainfekowali komórki nerki małpy i ludzkie komórki pochodzące z guza z próbkami Yunnan. Odkryli, że wiele wirusów z tej kolekcji może: replikują się w ludzkich komórkach, co oznacza, że ​​mogą potencjalnie zostać przeniesione bezpośrednio z nietoperzy na ludzi bez pośredniego żywiciela. Jednak nietoperze i ludzie nie mają zbyt często bezpośredniego kontaktu, więc żywiciel pośredni jest nadal dość prawdopodobny.

Znalezienie najbliższych krewnych

Następnym krokiem jest ustalenie, jak blisko spokrewniony jest podejrzany wirus dzikiej przyrody z tym, który zaraża ludzi. Naukowcy robią to, ustalając sekwencję genetyczną wirusa, co obejmuje określenie kolejności podstawowych elementów budulcowych lub nukleotydy, które tworzą genom. Im więcej nukleotydów mają dwie sekwencje genetyczne, tym są one ściślej spokrewnione.

Sekwencjonowanie genetyczne koronawirusa nietoperzy RaTG13 wykazało, że to już koniec 96% identyczne SARS-CoV-2. Ten poziom podobieństwa oznacza, że ​​RaTG13 jest dość blisko spokrewniony z SARS-CoV-2, co potwierdza, że ​​SARS-CoV-2 prawdopodobnie pochodzi od nietoperzy, ale nadal jest zbyt odległy, aby być bezpośrednim przodkiem. Prawdopodobnie był inny gospodarz, który złapał wirusa od nietoperzy i przekazał go ludziom. Aby znaleźć żywiciela pośredniego między nietoperzami a ludźmi, naukowcy muszą zarzucić dużą sieć i pobrać próbki wielu różnych zwierząt. Zdjęcie AP/Silvia Izquierdo

Ponieważ niektóre z najwcześniejszych przypadków COVID-19 wykryto u osób związanych z rynkiem dzikiej przyrody w Wuhan, spekulowano, że dzikie zwierzę z tego rynku było pośrednim żywicielem między nietoperzami a ludźmi. Jednak badacze nigdy nie znalazłem koronawirusa u zwierząt z targu.

Podobnie, gdy pokrewny koronawirus został zidentyfikowany w łuskowców skonfiskowanych w operacji antyprzemytniczej w południowych Chinach, wielu doszło do wniosku, że SARS-CoV-2 przeskoczył z nietoperzy na łuskowce do ludzi. wirus łuskowca stwierdzono jednak, że tylko w 91% jest identyczny z SARS-CoV-2, co sprawia, że ​​jest mało prawdopodobne, aby był bezpośrednim przodkiem ludzkiego wirusa.

Aby określić pochodzenie SARS-CoV-2, należy zebrać znacznie więcej dzikich próbek. To trudne zadanie – pobieranie próbek od nietoperzy jest czasochłonne i wymaga ścisłych środków ostrożności przed przypadkową infekcją. Ponieważ koronawirusy związane z SARS występują w nietoperze w całej Azji, łącznie z Tajlandią i Japonią, szukanie bardzo małej igły to bardzo duży stóg siana.

Tworzenie drzewa genealogicznego dla SARS-CoV-2

Aby rozwiązać zagadkę pochodzenia i ruchu wirusa, naukowcy muszą nie tylko znaleźć brakujące elementy, ale także dowiedzieć się, jak wszystkie one do siebie pasują. Wymaga to pobrania próbek wirusów z infekcji u ludzi i porównania tych sekwencji genetycznych zarówno ze sobą, jak iz innymi wirusami pochodzenia zwierzęcego.

Aby ustalić, w jaki sposób te próbki wirusa są ze sobą powiązane, naukowcy używają narzędzi komputerowych do skonstruowania drzewa genealogicznego wirusa lub filogeneza. Naukowcy porównują sekwencje genetyczne każdej próbki wirusa i konstruują relacje, dopasowując i klasyfikując podobieństwa i różnice genetyczne.

Bezpośredni przodek wirusa, wykazujący największe podobieństwo genetyczne, może być uważany za jego rodzica. Warianty dzielące tę samą sekwencję rodzicielską, ale z wystarczającą ilością zmian, aby się od siebie odróżnić, są jak rodzeństwo. W przypadku SARS-CoV-2 Wariant południowoafrykański, B.1.351 i wariant brytyjski, B.1.1.7, to rodzeństwo.

Budowanie drzewa genealogicznego komplikuje fakt, że różne parametry analizy mogą dać różne wyniki: ten sam zestaw sekwencji genetycznych może wytworzyć dwa bardzo różne drzewa genealogiczne. Na górze pokazano sekwencje nukleotydowe sześciu fikcyjnych wirusów. Poniżej znajdują się dwa drzewa genealogiczne tych wirusów utworzone przy użyciu dwóch różnych programów. Drzewo po lewej używa tylko procentowej identyczności, podczas gdy drzewo po prawej uwzględnia również, czy dwie sekwencje mają podobne cechy. Marilyn Roossinck, CC BY-ND

W przypadku SARS-CoV-2 analiza filogenetyczna okazuje się szczególnie trudna. Chociaż dziesiątki tysięcy sekwencji SARS-CoV-2 są już dostępne, nie różnią się od siebie na tyle, aby stworzyć wyraźny obraz jak są ze sobą spokrewnieni.

Aktualna debata: Dziki gospodarz czy laboratorium?

Czy SARS-CoV-2 mógł zostać uwolniony z laboratorium badawczego? Mimo że aktualne dowody sugeruje, że tak nie jest, 18 wybitnych wirusologów zasugerowało ostatnio, że to pytanie powinno być: dalej badane.

Chociaż pojawiły się spekulacje o tym, że SARS-CoV-2 jest opracowywany w laboratorium, taka możliwość wydaje się wysoce nieprawdopodobna. Porównując sekwencję genetyczną dzikiego RaTG13 z SARS-CoV-2, różnice rozkładają się losowo w całym genomie. W zmodyfikowanym wirusie istniałyby wyraźne bloki zmian, które reprezentują: wprowadzone sekwencje z innego źródła wirusa.

[Poznaj nasze najlepsze historie o nauce, zdrowiu i technologii. Zapisz się do newslettera naukowego The Conversation.]

W genomie SARS-CoV-2 istnieje jedna unikalna sekwencja, która koduje część białka kolczastego, które wydaje się odgrywać ważną rolę w zakażaniu ludzi. Co ciekawe, podobną sekwencję można znaleźć w koronawirusie MERS, który: powoduje chorobę podobną do COVID-19.

Chociaż nie jest jasne, w jaki sposób SARS-CoV-2 nabył te sekwencje, ewolucja wirusa sugeruje, że powstały one w wyniku naturalnych procesów. Wirusy akumulować zmiany albo przez wymianę genetyczną z innymi wirusami i ich gospodarzami, albo przez losowe błędy podczas replikacji. Wirusy, które uzyskują zmianę genetyczną, która daje im przewaga reprodukcyjna zazwyczaj nadal przekaże go przez replikację. To, że MERS i SARS-CoV-2 mają podobną sekwencję w tej części genomu, sugeruje, że naturalnie ewoluowały w obu i rozprzestrzeniały się, ponieważ pomaga im infekować ludzkie komórki.

Gdzie iść?

Ustalenie pochodzenia SARS-CoV-2 może dać nam wskazówki, jak zrozumieć i przewidzieć przyszłe pandemie, ale możemy nigdy nie wiedzieć dokładnie, skąd się wziął. Niezależnie od tego, w jaki sposób SARS-CoV-2 wskoczył do ludzi, jest tu teraz i prawdopodobnie zostanie. W przyszłości naukowcy muszą nadal monitorować jego rozprzestrzenianie się i zaszczepić jak najwięcej osób.

O autorze