Meereswasserproben liefern eine Fundgrube an RNA-Virusdaten

Ozeanwasserproben, die auf der ganzen Welt gesammelt wurden, haben eine Fundgrube an neuen Daten über RNA-Viren hervorgebracht, die Möglichkeiten der ökologischen Forschung erweitert und unser Verständnis davon, wie sich diese kleinen, aber bedeutenden submikroskopischen Partikel entwickelt haben, neu gestaltet.

Durch die Kombination von maschinellen Lernanalysen mit traditionellen Evolutionsbäumen hat ein internationales Forscherteam 5.500 neue RNA-Virusarten identifiziert, die alle fünf bekannten RNA-Virusstämme repräsentieren, und legt nahe, dass mindestens fünf neue RNA-Virusstämme benötigt werden, um sie einzufangen.

Die am häufigsten vorkommende Sammlung neu identifizierter Arten gehört zu einem vorgeschlagenen Stamm, den Forscher benannt haben Taraviricotaeine Anspielung auf die Quelle der 35.000 Wasserproben, die die Analyse ermöglichten: die Tara Ozean-Konsortiumeine laufende globale Studie an Bord des Schoners Tara der Auswirkungen des Klimawandels auf die Weltmeere.

„Hier gibt es so viel neue Vielfalt – und einen ganzen Stamm, die Taraviricota, wurden überall in den Ozeanen gefunden, was darauf hindeutet, dass sie ökologisch wichtig sind“, sagte der Hauptautor Matthew Sullivan, Professor für Mikrobiologie an der Ohio State University.

„RNA-Viren sind in unserer Welt eindeutig wichtig, aber wir untersuchen normalerweise nur einen winzigen Teil davon – die wenigen Hundert, die Menschen, Pflanzen und Tieren schaden. Wir wollten sie systematisch in sehr großem Maßstab untersuchen und eine Umgebung erforschen, die niemand hatte genau betrachtet, und wir hatten Glück, denn praktisch jede Art war neu und viele waren wirklich neu.“

Die Studie erscheint heute online in Wissenschaft.

Während Mikroben zu allem Leben auf dem Planeten wesentlich beitragen, haben Viren, die sie infizieren oder mit ihnen interagieren, eine Vielzahl von Einflüssen auf mikrobielle Funktionen. Es wird angenommen, dass diese Arten von Viren drei Hauptfunktionen haben: das Töten von Zellen, das Ändern des Energiemanagements infizierter Zellen und das Übertragen von Genen von einem Wirt auf einen anderen.

Mehr über die Vielfalt und Häufigkeit von Viren in den Weltmeeren zu wissen, wird helfen, die Rolle der Meeresmikroben bei der Anpassung der Ozeane an den Klimawandel zu erklären, sagen die Forscher. Die Ozeane absorbieren die Hälfte des vom Menschen erzeugten Kohlendioxids aus der Atmosphäre und bisherige Forschung von dieser Gruppe hat vorgeschlagen, dass Meeresviren der „Knopf“ an einer biologischen Pumpe sind, die beeinflusst, wie Kohlenstoff im Ozean gespeichert wird.

Indem das Team die Herausforderung annahm, RNA-Viren zu klassifizieren, betrat das Team Gewässer, die noch von früheren Kategorisierungsbemühungen der Taxonomie, die sich hauptsächlich auf virale RNA-Erreger konzentrierten, wogen. Innerhalb des biologischen Reiches Orthornavirenfünf Phyla wurden kürzlich vom International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) anerkannt.

Obwohl das Forschungsteam Hunderte neuer RNA-Virusarten identifizierte, die in diese bestehenden Abteilungen passen, identifizierte ihre Analyse Tausende weitere Arten, die sie in fünf neue vorgeschlagene Phyla gruppierten: Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota und Arctiviricotawas, wie Taraviricotaweist sehr viele Arten auf – zumindest in den klimakritischen Gewässern des Arktischen Ozeans, dem Gebiet der Welt, in dem die Erwärmung die meisten Verwüstungen anrichtet.

Sullivans Team hat lange Zeit DNA-Virusarten in den Ozeanen katalogisiert und die Zahl von einigen Tausend in den Jahren 2015 und 2016 auf 200.000 im Jahr 2019 erhöht. Für diese Studien hatten die Wissenschaftler Zugang zu Viruspartikeln, um die Analyse abzuschließen.

Bei diesen aktuellen Bemühungen, RNA-Viren nachzuweisen, gab es keine Viruspartikel zu untersuchen. Stattdessen extrahierten die Forscher Sequenzen aus Genen, die in im Meer schwimmenden Organismen exprimiert werden, und beschränkten die Analyse auf RNA-Sequenzen, die ein charakteristisches Gen namens RdRp enthielten, das sich über Milliarden von Jahren in RNA-Viren entwickelt hat und in anderen Viren oder Zellen fehlt .

Da die Existenz von RdRp auf die Zeit zurückgeht, als das erste Leben auf der Erde entdeckt wurde, ist seine Sequenzposition viele Male auseinandergegangen, was bedeutet, dass traditionelle phylogenetische Baumbeziehungen unmöglich mit Sequenzen allein beschrieben werden konnten. Stattdessen nutzte das Team maschinelles Lernen, um 44.000 neue Sequenzen so zu organisieren, dass diese Milliarden von Jahren an Sequenzabweichungen bewältigt werden konnten, und validierte die Methode, indem es zeigte, dass die Technik Sequenzen von bereits identifizierten RNA-Viren genau klassifizieren konnte.

„Wir mussten das Bekannte vergleichen, um das Unbekannte zu untersuchen“, sagte Sullivan, ebenfalls Professor für Bau-, Umwelt- und Geodätik, Gründungsdirektor des Center of Microbiome Science des Staates Ohio und Mitglied des Führungsteams des EMERGE Biology Integration Institute.

„Wir haben eine rechnerisch reproduzierbare Möglichkeit geschaffen, diese Sequenzen so auszurichten, dass wir sicherer sein können, dass wir Positionen ausrichten, die die Evolution genau widerspiegeln.“

Weitere Analysen unter Verwendung von 3D-Darstellungen von Sequenzstrukturen und Ausrichtung ergaben, dass der Cluster von 5.500 neuen Arten nicht in die fünf bestehenden Phyla von RNA-Viren passte, die in der Kategorie kategorisiert wurden Orthornaviren Königreich.

„Wir haben unsere Cluster mit etablierten, anerkannten Phylogenie-basierten Taxa verglichen, und so haben wir festgestellt, dass wir mehr Cluster haben als die existierenden“, sagte Co-Erstautor Ahmed Zayed, ein Forschungswissenschaftler für Mikrobiologie am Bundesstaat Ohio und Forschungsleiter im EMERGE-Institut.

Insgesamt veranlassten die Ergebnisse die Forscher, nicht nur die fünf neuen Phyla, sondern auch mindestens 11 neue Orthornaviran-Klassen von RNA-Viren vorzuschlagen. Das Team bereitet einen Vorschlag vor, um die Formalisierung der Kandidatenstämme und -klassen durch das ICTV zu beantragen.

Zayed sagte, der Umfang neuer Daten über die Divergenz des RdRp-Gens im Laufe der Zeit führe zu einem besseren Verständnis darüber, wie sich frühes Leben auf dem Planeten entwickelt haben könnte.

„RdRp soll eines der ältesten Gene sein – es existierte, bevor DNA benötigt wurde“, sagte er. „Wir verfolgen also nicht nur den Ursprung von Viren, sondern auch den Ursprung des Lebens.“

Diese Forschung wurde von der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, dem Ohio Supercomputer Center, dem Ohio State’s Center of Microbiome Science, dem EMERGE Biology Integration Institute, der Ramon-Areces Foundation und Laulima Government Solutions/NIAID unterstützt. Die Arbeit wurde auch durch die beispiellose Probennahme und Wissenschaft der Tara Oceans Consortium, die gemeinnützige Tara Ocean Foundation und ihre Partner.