Objavovanie nových baktérií a vírusov

Začnem porovnaním s baktériami. Vieme veľmi dobre, že v ľudskom tráviacom trakte existujú baktérie, ktoré ešte nikto nikdy nevidel a ani nekultivoval v laboratóriu. Na druhej strane o nich ale dokážeme zistiť, ku ktorému kmeňu/oddeleniu, triede, rodu či druhu patria. Vieme to vďaka zakonzervovanému génu s názvom 16S, ktorý má každá baktéria. Každý druh baktérie má v tomto géne maličké rozdiely v poradí písmen ATCG (nukleotidov), niektorým nejaké písmenka chýbajú, niektoré majú čoši naviac, ale u všetkých baktérií je táto sekvencia veľmi podobná. Máme obrovský katalóg všetkých známych baktérií a génov 16S, ktoré k nim patria. 16S je proste univerzálny identifikátor pre baktérie.

Ak sa nám dostane do rúk nejaká neznáma baktéria, sekvenovaním génu 16S dokážeme určiť, do akého kmeňa patrí, ba dokonca niekedy sa podarí určiť rod (napríklad Bacteroides). V prípade novej baktérie ale sekvencia génu 16S nebude na 100% zhodná so žiadnym doposiaľ známym druhom rodu Bacteroides. To našepkáva, že sme asi objavili nejakú novú baktériu.

Ako príklad si vymyslím, že v tráviacom trakte nejakého Slováka objavíme pomocou sekvenovania génu 16S novú baktériu, ktorej gén 16S má zhodu s rodom Bacteroides. Chceli by sme ju bližšie skúmať, rozlúštiť celý jej genóm a začať ju kultivovať v laboratóriu, aby sme poznali jej biochemické vlastnosti. Chceli by sme ju nazvať Bacteroides slovacus. To je len vymyslený príklad. :-)

Získanie sekvencie 16S tohoto nového druhu však ale neznamená automatické zapísanie do zoznamu nových baktérií. Sekvencia 16S tvorí len 500 písmen z celého cca 5 000 000 písmenkového genómu (odhad). Treba ešte rozlúštiť zvyšok tohoto genómu, takže by sme museli začať úplne nový projekt, ktorý by trval asi niekoľko rokov a možno by nakoniec nebol vôbec nebol úspešný.

Hlavná úloha tohoto projektu by bola oddeliť Bacteroides slovacus od ostatných miliónov baktérií vo výkale, aby sa ich sekvencie nemiešali s naším novým druhom. To je ťažká úloha. Teoreticky by sa to dalo urobiť triedením cez prietokovú citometriu alebo aj nejak inak. To sa ale podarilo zatiaľ naozaj len niekoľkým vedeckým skupinám, ktoré publikujú v prestížnych časopisoch. Teoreticky, ak rozlúštime sekvenciu celého genómu tejto novej baktérie, budeme vedieť, v akom médiu by mohla rásť, takže by sa nám ju možno aj podarilo kultivovať v laboratóriu. To je ale už len vedecký sen...

Bohužiaľ, situácia je taká, že databázy su plné tisícok 500 písmenkových sekvencií génu 16S, ktoré sú označené ako “uncultured Bacteroidetes”, uncultured “Clostridiales”, “uncultured proteobacteria” atď. Tieto baktérie niekto objavil vďaka sekvenovaniu génu 16S, ale nikto sa už o nich ďalej nestaral. Málokomu sa chce začať nový miliónový projekt s neistým koncom. Takže vieme, že v tráviacom trakte existuje obrovské množstvo doposiaľ neznámych druhov baktérií, ale kedže nemáme peniaze (alebo schopnosti) oddeliť ich od ostatných baktérií a osekvenovať ich celé genómy, tak ani nikdy nebudeme vedieť, akú funkciu v črevách majú a čoho sú schopné.

Častejšie sa to však stáva opačne, že sa vedci nemusia hrabať v sekvenciách, ale rovno pri kultivácii baktérií v laboratóriu objavia nový druh, poddruh alebo nový kmeň. Všimnú si, že jedna z baktérií, ktoré pestujú, má iné vlastnosti ako doteraz známe baktérie. V tom prípade si môžu overiť svoje tušenie sekvenovaním napríklad spomínaného génu 16S priamo z tohoto nového izolátu. Ak sa potvrdia rozdiely, potom ešte zostáva osekvenovať celý zvyšok genómu.

V obidvoch prípadoch však osekvenovanie genómu neznamená, že budeme vedieť o vlastnostiach našej baktérie úplne všetko. Už na základe poriadia písmen v genóme vieme, kde sa nachádza sekvencia kódujúca nejaký protein, ale ku konečnému poznaniu, na čo tento protein slúži, je ešte veľmi dlhá cesta. Charakterizácia nového proteinu úplne od nuly je projekt na niekoľko mesiacov či rokov. Preto sú databázy plné označení typu “protein of unknown function” - neznámych proteinov, ktoré ešte nikto do hĺbky neskúmal. Vďaka najmodernejším sekvenátorom stúpa počet osekvenovaných genómov raketovou rýchlosťou a s nimi aj počet nových doposiaľ neznámych proteínov. Bohužiaľ ale neexituje rýchly a efektívny spôsob na ich charakterizovanie, lebo je to naozajstná piplačka a na každý protein treba “individuálny prístup”.

Poďme teraz k vírusom. Tu je situácia trochu komplikovanejšia. Vírusy nemajú zakonzervovaný univerzálny gén na identifikáciu ako baktérie. Ich zloženie vo výkale sa dá skúmať len pomocou génov typických pre každú väčšiu podskupinu, napríklad skupiny Herpervirales, Adenoviridae atď. Kedže neexituje univerzálny gén, ktorým by sme dokázali vychytať všetky vírusy v našom výkale, nikdy nedostaneme úplny obraz o rôznorodosti zloženia vírusov v našom tráviacom trakte.

Nové vírusy sa dajú objaviť, keď celú vzorku prefiltrujeme (odstránime všetky baktérie) a z tohoto filtrátu vyextrahujeme DNA, ktorú necháme osekvenovať priamo tak ako je - to znamená, že naša vzorka nebude obsahovať len veľa kópií jedného génu (ako v prípade skúmania diverzity pomocou spomínaného 16S), ale bude obsahovať celé genómy všetkých vírusov nakrájané na kúsky. To sa nazýva metagenóm vírusov, čiže viróm.

Kedže je vírusov nespočetne veľa, bude treba získať obrovské množstvo sekvencií, aby sme tie kúsky DNA v našom viróme vedeli pospájať do jedného kruhu – jedného genómu. V lepšom prípade aj viac kruhov, lebo, samozrejme, v jednej vzorke výkalu sa nachádza určite viacero druhov vírusov.

Bohužiaľ, skoro všetky doteraz publikované virómy obsahujú len veľmi málo sekvencií na to, aby sa z nich aspoň nejaké trochu pospájali do celistvého genómu. Vedci len tušia, že sa v týchto kúsočkoch nachádzajú také a onaké vírusy, pretože pár z týchto sekvencií má zhodu s nejakým genómom vírusu už predtým publikovaného v databázach. Realita je však taká, že častokrát aj 70% zo všetkých sekvencií virómu nemá zhodu so žiadnym predtým osekvenovaným organizmom. Vedci teda majú tušenie, že tam našli nejaké nové vírusy, ale nemôžu to potvrdiť, pretože sa ich sekvencie nechcú pospájať do žiadneho kruhu. Aby sa spojili, museli by osekvenovať mnohonásobne viac.

Minulý mesiac sa to podarilo jednej medzinárodnej vedeckej skupine, o čom aj infomovali na tech.sme.sk. Ich článok v Nature hovorí o tom, ako objavili nový vírus, ktorý predtým nikto nepoznal. Spojili sekvencie všetkých 12 virómov, ktoré už dávnejšie publikovali oddelene. Teraz im však napadlo všetky tieto skevencie spojiť a pozrieť sa, čo vznikne. Prekvapili sa, že okrem sekvencií, ktoré sa nespájali, sa im tam zrazu spojil do kruhu nový genóm vírusu, ktorý má dĺžku 97000 písmen. Keďže mali k dispozícií pôvodné vzorky, mohli si navrhnúť primery a pomocou reakcie PCR biologicky potvrdiť, že sa tieto sekvencie pospájané pomocou počítačového programu spojili naozaj správne. Potom ešte dôsledne prezreli na internete virómy ostatných vedeckých skupín z celého sveta a zistili, že sa tento vírus nachádza vo väčšine z nich. To znamená, že s veľkou pravdepodobnsťou ho máte aj vy vo svojom tráviacom trakte.

Aby som vás ale nevystrašila - nejedná sa o žiadnu novú ebolu ani nič nebezpečné pre človeka. Ide o vírus, ktorý napáda baktérie – takéto vírusy sa volajú bakteriofágy. Konkrétne tento novoobjavený druh bakteriofága napáda baktérie rodu Bacteroides. Bakteriofágov je vo výkaloch zdravého človeka oveľa viac ako ľudských vírusov. Objavovanie bakteriofágov je ešte zložitejšie, pretože sa ich genómy môžu inkorporovať do genómov baktérii a potom je ťažké ich sekvencie oddeliť. Ale o tom až nabudúce.