Ένα ταπεινό φύκι στα φιαλίδια ενός εργαστηρίου, όπου παρέμενε για δεκαετίες, μόλις αποκάλυψε πως, είναι φορέας ενός τόσο γιγάντιου και ύπουλου ιού που κανείς δεν τον είχε παρατηρήσει μέχρι τότε.
Η ανακάλυψη, ξαναγράφει όλα όσα πίστευαν ότι γνωρίζουν για την ανάπτυξη ενός ιού, ο οποίος κρύβεται στο εσωτερικό ενός μονοκύτταρου ξενιστή. Η μελέτη, με επικεφαλής τους Maria Paula Erazo-Garcia και Frank Aylward από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Βιρτζίνια, έδειξε πως ο ιός, ο οποίος ονομάστηκε από τους επιστήμονες punuivirus, διαπερνά στο DNA του φυκιού, παραμένει αδρανής και στη συνέχει ξυπνά για να δημιουργήσει ολοκληρωμένα μόρια ιού, χωρίς να σκοτώνει τους περισσότερους από τους ξενιστές του.
Η σημασία του νέου ιού punuivirus
Οι ιοί που ενσωματώνονται και στη συνέχεια παραμένουν αδρανείς, είναι συνηθισμένοι σε βακτήρια, ζώα, ακόμη και στους ανθρώπους. Ελάχιστοι ωστόσο, έχουν ανιχνευτεί σε φύκια.
Η νέα μελέτη, επαληθεύει πως, οι στρατηγικές της λανθάνουσας λοίμωξης, υπάρχουν και στον υπερμεγέθη κόσμο των τεράστιων ιών, τα γονιδιώματα των οποίων ξεπερνούν εκείνα πολλών βακτηρίων.
Οι τεράστιοι παθογόνοι οργανισμοί ενθουσιάζουν τους ιολόγους, επειδή συγχέουν τα όρια ανάμεσα σ’ έναν ιό και ένα κύτταρο. Η ανακάλυψη ενός τέτοιου οργανισμού που μπορεί να παραμένει σε αδράνεια υποδηλώνει ότι τα φύκια, τα οποία αποτελούν τη βάση πολλών τροφικών αλυσίδων, μπορεί να μεταφέρουν ήσυχα ιογενή γονίδια σε οικοσυστήματα.
Επειδή εισέρχονται στα χρωμοσώματα του ξενιστή, διασπείρουν νέα γονίδια σε γενεαλογίες και μπορεί να προκαλέσουν ξαφνικά άλματα καινοτομίας.
Τέλος, ένας ιός που παραμένει σε αδράνεια, αντί να σκοτώνει, προσφέρει ενδείξεις για το πώς οι ιοί καταφέρνουν μακροπρόθεσμη συνύπαρξη, ένα ζήτημα που έχει σημασία όταν οι επιστήμονες σχεδιάζουν ιικούς φορείς για εμβόλια και γονιδιακές θεραπείες.
Η ανακάλυψη και η μελέτη του punuivirus
“Είναι βέβαιο ότι έχει εισαχθεί ένας ιός εδώ”, είπε η Erazo-Garcia. Είδε για πρώτη φορά τα ασυνήθιστα τμήματα του DNΑ του, όσο μελετούσε καλλιέργειες από Chlamydomonas reinhardtii, έναν βασικό οργανισμό στην έρευνα για τη φωτοσύνθεση.
Η αλληλουχία μεγάλων αναγνώσεων, επιβεβαίωσε ότι το ιικό γονιδίωμα των 617.000 βάσεων βρισκόταν μέσα στο χρωμόσωμα 15.
Οι εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αργότερα κατέγραψαν πλήρη ιόμορφα σωματίδια, περίπου 200 νανομέτρα σε πλάτος, να αποκόπτονται από ένα μικρό ποσοστό κυττάρων, αν και οι καλλιέργειες φαίνονταν απόλυτα υγιείς. Επειδή μόνο λίγα κύτταρα πυροδοτούν το ιογενές πρόγραμμα τη φορά, η μόλυνση περνάει απαρατήρητη.
Η ομάδα μέτρησε δύο εξάρσεις των ιικών μορίων, η μία νωρίς και η άλλη αργά στον εβδομαδιαίο κύκλο ανάπτυξης, δείχνοντας ότι, για την επανενεργοποίηση, σημασία έχει το timing. Παράλληλες δομές σε λίμνες της Σουηδίας και τα νερά των ακτών της Ολλανδίας, έδειξαν παρόμοιο DNA του ιού στους άγριους συγγενείς τους, γεγονός που υποδηλώνει πως, οι μολύνσεις του είδους του punuivirus, δεν είναι ιδιαιτερότητα που παρατηρείται στο εργαστήριο, αλλά κομμάτι της λειτουργίας της φύσης.
Αξιοποιώντας το χρήσιμο γενετικό φορτίο
Με 617 κιλοβάσεις, ο γιγαντιαίος punuivirus κατατάσσεται ανάμεσα στους μεγαλύτερους γνωστούς ιούς με διπλή αλυσίδα DNA.
Το γονιδίωμα του κωδικοποιεί ένα ένζυμο που ενσωματώνει το ιικό DNA στα χρωμοσώματα του ξενιστή, καθώς και αρκετές νουκλεάσες Fanzor, κινητά γονίδια που μπορούν να κόβουν το DNA χρησιμοποιώντας οδηγούς RNA, ένα τέχνασμα που θυμίζει τα συστήματα CRISPR.
Οι νουκλεάσες αυτές, μαζί με εκατοντάδες ακόμη γονίδια παρεμβάλλονται μεταξύ μακρών τερματικών επαναλήψεων και περιβάλλονται από μια επανάληψη έξι βάσεων στην περιοχή στόχου, μοριακά αποτυπώματα που βοήθησαν τους ερευνητές να εντοπίσουν το σημείο εισόδου.
Ακόμη, ο ιός φέρει τα ορόσημα της αυτάρκειας: DNA πολυμεράση, μεγάλες καψιδικές πρωτεΐνες (του περιβλήματος) και τον δικό του μηχανισμό μετεγγραφής.
Η περιπλοκότητα αυτή, υποδηλώνει ότι ο punuivirus, όταν ενεργοποιηθεί είναι αυτόνομος, και βασίζεται στον ξενιστή του μόνο για τις πρώτες ύλες.
Το γονιδίωμα δεν περιέχει προφανή “γονίδια αυτοκτονίας”, που θα διέλυαν το κύτταρο, εξηγώντας γιατί οι μολυσμένες καλλιέργειες συνεχίζουν να αναπτύσσονται.
Αντίθετα, ο ιός μπορεί ν’ απελευθερώνει αξιοπρεπή αριθμό μορίων, όσο τα φύκια παραμένουν ζωντανά.
Η υπόσχεση της γενετικής επεξεργασίας από τον punuivirus
Επειδή ο punuivirus περνά το DNA του εύκολα μέσα στο χρωμόσωμα του ξενιστή και αργότερα εκτοπίζει πλήρη γονιδιώματα, οι βιοτεχνολόγοι βλέπουν στον punuivirus ένα πιθανό εργαλείο παράδοσης γονιδιακού υλικού.
Η ενσωματωμένη ενσωματάση (ιντεγκράση) και οι νουκλεάσες Fanzor μπορεί να βοηθήσουν στη μεταφορά μεγάλων φορτίων σε γονιδιώματα φυτών ή φυκιών με πιο καθαρό τρόπο από ό,τι οι τρέχοντες ιοί – φορείς. Αυτή η δυνατότητα να ενσωματώνονται μεγάλα γονιδιώματα χωρίς να προκαλούν ανεπιθύμητες παρενέργειες, κάνει τον punuivirus έναν πολλά υποσχόμενο παράγοντα για εφαρμογές στη γενετική επεξεργασία φυτών και άλλων οργανισμών.
“Δεν ήταν γνωστό ότι μπορεί να γίνει αυτό σε τόσο μεγάλους ιούς“, δήλωσε ο Aylward, σημειώνοντας πως, το φύκι παραμένει υγιές όσο ο ιός εισέρχεται και απομακρύνει μεγάλες ακολουθίες του DNA.
Οι νουκλεάσες Fanzor καθοδηγούνται από μικρά μόρια RNA, παρόμοια με τα ένζυμα CRISPR-Cas, αλλά κόβουν το DNA με διαφορετικό τρόπο. Αντί για την παραδοσιακή μέθοδο κοπής που χρησιμοποιούν τα CRISPR-Cas, οι νουκλεάσες Fanzor χρησιμοποιούν διαφορετική μηχανική διαδικασία για την ακριβή διάσπαση και στόχευση του DNA, προσφέροντας έτσι νέες δυνατότητες για γονιδιακή επεξεργασία.
Αυτό το χαρακτηριστικό των νουκλεάσων Fanzor, τις καθιστά ενδιαφέρουσες για έρευνες γενετικής επεξεργασίας, καθώς μπορεί να επιτρέπουν πιο ευέλικτη και ακριβή στόχευση του DNA.
Οι νουκλεάσες Fanzor καθοδηγούνται από μικρά μόρια RNA, παρόμοια με τα ένζυμα CRISPR-Cas, αλλά κόβουν το DNA με διαφορετικό τρόπο.
Αντί για την παραδοσιακή μέθοδο κοπής που χρησιμοποιούν τα CRISPR-Cas, οι νουκλεάσες Fanzor χρησιμοποιούν διαφορετική μηχανική διαδικασία για την ακριβή διάσπαση και στόχευση του DNA, προσφέροντας έτσι νέες δυνατότητες για γονιδιακή επεξεργασία.
Οι ερευνητές θέλουν να αναλύσουν το μοριακό σύστημα που πυροδοτεί τον punuivirus. Η κατανόησή της πυροδότησής του, θα δώσει στους μηχανικούς τη δυνατότητα να προγραμματίσουν την έκφραση – μετά από απαίτηση- των θεραπευτικών γονιδίων, χωρίς να προκαλείται μόνιμη έκφραση.
Προσαρμογή του γονιδιώματος, γιγάντιοι ιοί και το μέλλον
Η ομάδα σχεδιάζει τη χαρτογράφηση κάθε μετεγγραφής και πρωτεΐνης στη διάρκεια των δύο εκρήξεων παραγωγής του ιού, προκειμένου ν’ ανακαλύψουν ποια γονίδια “γύρισαν τον διακόπτη”.
Ακόμη, ευελπιστούν να ελέγξουν αν, περιβαλλοντικά στοιχεία, το φως, οι θρεπτικές ουσίες ή το στρες “ξυπνούν” τον ιό. Εν τω μεταξύ, οι οικολόγοι θα εξερευνήσουν λίμνες και ωκεανούς, αναζητώντας άλλους αδρανείς γίγαντες.
Αν οι αδρανείς ιοί αποδειχθούν πράγματι συνηθισμένοι, τότε η αργή κίνηση των γονιδίων τους, θα μπορούσε να αναθεωρήσει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες αντιλαμβάνονται τη μικροβιακή εξέλιξη και τον κύκλο του άνθρακα.
Η ανακάλυψη αυτή δείχνει ότι, ακόμη και το 2025, συνηθισμένοι οργανισμοί του εργαστηρίου, μπορεί να κρύβουν εντυπωσιακά μυστικά, τα οποία περιμένουν να έρθουν στο φως χάρη στην περιέργεια ενός φοιτητή και μιας νέας συσκευής αλληλουχίας.
