O SARS-CoV-2 é apenas um dos não milhões de vírus em nosso planeta, e os cientistas estão identificando rapidamente legiões de novas espécies.
Mya Breitbart tem caçado novos vírus em cupinzeiros africanos, focas da Antártica e água do Mar Vermelho. Mas para obter resultados, ela só precisa entrar em seu quintal na Flórida. Pendurados ao redor de sua piscina estão orbweavers de dorso espinhoso (Gasteracantha cancriformis) – aranhas impressionantes com corpos brancos bulbosos, manchas pretas e seis pontas escarlates que as fazem parecer uma peça de armamento medieval. Ainda mais impressionante para Breitbart, um ecologista viral da Universidade do Sul da Flórida em São Petersburgo, era o que havia dentro. Quando ela e seus colegas coletaram algumas aranhas e as aterraram, eles encontraram dois vírus até então desconhecidos para a ciência.
Embora nós, humanos, tenhamos nos concentrado em um vírus particularmente desagradável desde o início de 2020, existem legiões de outros vírus esperando para serem descobertos. Os cientistas estimam que existam cerca de 1.031 partículas virais individuais habitando apenas os oceanos em um determinado momento – 10 bilhões de vezes o número estimado de estrelas no universo conhecido.
Está ficando claro que ecossistemas e organismos dependem de vírus. Pequenos, mas poderosos, eles alimentaram a evolução por milhões de anos, transportando genes entre hospedeiros. Nos oceanos, eles cortam microorganismos abertos, espalhando seu conteúdo no mar e inundando a teia alimentar com nutrientes. “Sem vírus”, diz Curtis Suttle, virologista da University of British Columbia em Vancouver, Canadá, “não estaríamos vivos”.
Existem apenas 9.110 espécies nomeadas listadas pelo Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus (ICTV), mas essa é obviamente uma fração lamentável do total. Em parte, isso ocorre porque a classificação oficial de um vírus costumava exigir que os cientistas cultivassem um vírus em seu hospedeiro ou células hospedeiras – um processo demorado, se não impossível. Também é porque a pesquisa tem sido tendenciosa para vírus que causam doenças em humanos ou organismos com os quais nos preocupamos, como animais de fazenda e plantas agrícolas. No entanto, como a pandemia COVID-19 nos lembrou, é importante entender os vírus que podem saltar de um hospedeiro para outro, ameaçando-nos, nossos animais ou nossas plantações.
Nos últimos dez anos, o número de vírus conhecidos e nomeados explodiu, devido aos avanços na tecnologia para localizá-los, além de uma recente mudança nas regras de identificação de novas espécies, para permitir a nomeação sem a necessidade de cultura do vírus e do hospedeiro. Uma das técnicas mais influentes é a metagenômica, que permite aos pesquisadores coletar amostras de genomas em um ambiente sem ter que cultivar vírus individuais. Novas tecnologias, como sequenciamento de vírus único, estão adicionando ainda mais vírus à lista, incluindo alguns que são surpreendentemente comuns, mas permaneceram ocultos até agora. É um momento emocionante para fazer esse tipo de pesquisa, diz Breitbart. “Eu acho que, de muitas maneiras, agora é a hora do virome.”
Somente em 2020, o ICTV adicionou 1.044 espécies à sua lista oficial, e milhares mais aguardam descrição e nomenclatura. Essa proliferação de genomas levou os virologistas a repensar a maneira como classificam os vírus e ajudou a esclarecer sua evolução. Há fortes evidências de que os vírus surgiram várias vezes, em vez de brotar de uma única origem.
Mesmo assim, a verdadeira extensão do mundo viral permanece praticamente desconhecida, diz Jens Kuhn, virologista do Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas dos Estados Unidos em Fort Detrick, Maryland. “Nós realmente não temos absolutamente nenhuma ideia do que está lá fora.”
Aqui, ali e em todo lugar
Todos os vírus têm duas coisas em comum: cada um encerra seu genoma em uma casca à base de proteína e cada um depende de seu hospedeiro – seja uma pessoa, aranha ou planta – para se reproduzir. Mas, além desse padrão geral, existem infinitas variações.
Existem circovírus minúsculos com apenas dois ou três genes e mimivírus massivos que são maiores do que algumas bactérias e carregam centenas de genes. Existem fagos de aparência lunar que infectam bactérias e, claro, as bolas pontiagudas assassinas com as quais o mundo agora está dolorosamente familiarizado. Existem vírus que armazenam seus genes como DNA e outros que usam RNA; há até um fago que usa um alfabeto genético alternativo, substituindo a base química A no sistema ACGT padrão por uma molécula diferente, designada Z.
Os vírus são tão onipresentes que podem aparecer mesmo quando os cientistas não estão procurando por eles. Frederik Schulz não pretendia estudar vírus enquanto examinava as sequências do genoma de águas residuais. Como um estudante de graduação na Universidade de Viena, em 2015 ele estava usando a metagenômica para caçar bactérias. Isso envolve isolar o DNA de toda uma mistura de organismos, cortá-lo em pedaços e sequenciar todos eles. Um programa de computador então reúne os bits em genomas individuais; é como resolver centenas de quebra-cabeças cujas peças foram misturadas.
Entre os genomas bacterianos, Schulz não pôde deixar de notar a enorme quantidade de genoma de um vírus – óbvio porque carregava genes para uma casca viral – com notáveis 1,57 milhões de pares de bases. Era um vírus gigante, parte de um grupo cujos membros são grandes em termos de tamanho do genoma e tamanho absoluto (normalmente, 200 nanômetros ou mais). Esses vírus infectam amebas, algas e outros protistas, colocando-os em posição de influenciar os ecossistemas aquáticos e terrestres.
Schulz, agora microbiologista do Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia dos Estados Unidos, em Berkeley, Califórnia, decidiu pesquisar vírus relacionados em conjuntos de dados de metagenoma. Em 2020, em um único artigo, ele e seus colegas descreveram mais de 2.000 genomas do grupo que contém vírus gigantes; antes disso, apenas 205 desses genomas haviam sido depositados em bancos de dados públicos.
Os virologistas também olharam para dentro para encontrar novas espécies. O bioinformático viral Luis Camarillo-Guerrero trabalhou com colegas do Wellcome Sanger Institute em Hinxton, Reino Unido, para analisar metagenomas do intestino humano e construiu um banco de dados contendo mais de 140.000 tipos de fagos. Mais da metade deles eram novos para a ciência. Seu estudo, publicado em fevereiro, correspondeu às descobertas de outros de que um dos vírus mais comuns para infectar a bactéria em nossos intestinos é um grupo conhecido como crAssphage (nomeado após o software de montagem cruzada que o pegou em 2014). Apesar de sua abundância, não se sabe muito sobre como ele contribui para nosso microbioma, diz Camarillo-Guerrero, que agora trabalha na empresa de sequenciamento de DNA Illumina em Cambridge, Reino Unido.
A metagenômica revelou uma grande quantidade de vírus, mas também ignora muitos. Os vírus de RNA não são sequenciados em metagenomas típicos, então o microbiologista Colin Hill da University College Cork, Irlanda, e seus colegas os procuraram em bancos de dados de RNAs, chamados metatranscriptomas. Os cientistas normalmente usam esses dados para entender os genes em uma população que estão sendo ativamente transformados em RNA mensageiro para fazer proteínas, mas os genomas de vírus de RNA também podem aparecer. Usando técnicas computacionais para extrair sequências dos dados, a equipe encontrou 1.015 genomas virais em metatrancriptomas de amostras de lama e água. Novamente, eles aumentaram enormemente o número de vírus conhecidos com um único artigo.
Embora seja possível que essas técnicas montem acidentalmente genomas que não são reais, os pesquisadores têm técnicas de controle de qualidade para se proteger contra isso. Mas existem outros pontos cegos. Por exemplo, as espécies virais cujos membros são muito diversos são terrivelmente difíceis de encontrar porque é difícil para os programas de computador juntar as sequências díspares.
A alternativa é sequenciar os genomas virais um de cada vez, como faz o microbiologista Manuel Martinez-Garcia da Universidade de Alicante, na Espanha. Ele decidiu tentar escorrer água do mar por meio de uma máquina de classificação para isolar vírus únicos, amplificou seu DNA e passou ao sequenciamento.
Em sua primeira tentativa, ele encontrou 44 genomas. Um acabou representando alguns dos vírus mais abundantes no oceano. Esse vírus é tão diverso – suas peças do quebra-cabeça genético variam tanto de uma partícula de vírus para outra – que seu genoma nunca apareceu em estudos de metagenômica. A equipe o chama de 37-F6, por sua localização na placa de laboratório original, mas Martinez-Garcia brinca que, devido à sua capacidade de se esconder à vista de todos, deveria ter se chamado 007, em homenagem ao superspy fictício James Bond.
Árvores genealógicas de vírus
O James Bond dos vírus oceânicos não possui um nome oficial em latim, assim como a maioria dos milhares de genomas virais descobertos por metagenômica na última década. Essas sequências apresentaram ao ICTV um dilema: um genoma é suficiente para nomear um vírus? Até 2016, propor um novo vírus ou grupo taxonômico ao ICTV exigia que os cientistas tivessem aquele vírus e seu hospedeiro em cultura, com raras exceções. Mas naquele ano, após um debate contencioso mas cordial, os virologistas concordaram que um genoma era suficiente.
Chegaram as propostas para novos vírus e grupos (veja “Adicionando à família”). Mas as relações evolutivas entre esses vírus muitas vezes não eram claras. Os virologistas geralmente categorizam os vírus com base em suas formas (longas e finas, digamos, ou uma cabeça com cauda) ou seus genomas (DNA ou RNA, fita simples ou dupla), mas isso diz surpreendentemente pouco sobre ancestralidade compartilhada. Por exemplo, vírus com genomas de DNA de fita dupla parecem ter surgido em pelo menos quatro ocasiões distintas.
A classificação viral ICTV original, que é totalmente separada da árvore da vida celular, incluía apenas os degraus inferiores da hierarquia evolutiva, de espécies e gêneros até o nível de ordem – um nível equivalente a primatas ou árvores com cones na classificação de vida multicelular. Não houve níveis superiores. E muitas famílias virais flutuaram sozinhas, sem ligações com outros tipos de vírus. Então, em 2018, o ICTV adicionou níveis de ordem superior: classes, filos e reinos.
Bem no topo, ele inventou ‘reinos’, destinados a serem contrapartes aos ‘domínios’ da vida celular – Bactérias, Archaea e Eukaryota – mas usando uma palavra diferente para diferenciar as duas árvores. (Vários anos atrás, alguns cientistas sugeriram que certos vírus podem caber na árvore evolutiva baseada em células, mas essa ideia não ganhou apoio generalizado.)
O ICTV delineou os ramos da árvore e agrupou os vírus baseados em RNA em um reino chamado Riboviria. O SARS-CoV-2 e outros coronavírus, que possuem genomas de RNA de fita simples, fazem parte desse reino. Mas então cabia à comunidade mais ampla de virologistas propor outros grupos taxonômicos. Por acaso, Eugene Koonin, biólogo evolucionista do National Center for Biotechnology Information em Bethesda, Maryland, montou uma equipe para analisar todos os genomas virais, bem como as pesquisas mais recentes sobre proteínas virais, para criar um primeiro esboço de taxonomia.
Eles reorganizaram Riboviria e propuseram mais três reinos (ver “Reinos de vírus”). Houve alguma discussão sobre os detalhes, diz Koonin, mas a taxonomia foi ratificada sem muitos problemas pelos membros do ICTV em 2020. Dois outros reinos receberam luz verde em 2021, mas os quatro reinos originais provavelmente permanecerão os maiores, diz ele. Eventualmente, especula Koonin, os reinos podem chegar a 25.
Esse número apóia a suspeita de muitos cientistas de que não existe um ancestral comum para o tipo de vírus. “Não existe uma raiz única para todos os vírus”, diz Koonin. “Isso simplesmente não existe.” Isso significa que os vírus provavelmente surgiram várias vezes na história da vida na Terra – e não há razão para pensar que tal surgimento não possa acontecer novamente. “A origem de novo de novos vírus ainda está em andamento”, diz Mart Krupovic, virologista do Instituto Pasteur em Paris que esteve envolvido nas decisões do ICTV e na equipe de taxonomia de Koonin.
Quanto a como os reinos surgiram, os virologistas têm várias idéias. Talvez eles tenham descendido de elementos genéticos independentes no início da vida na Terra, antes mesmo de as células tomarem forma. Talvez eles tenham escapado ou “desenvolvido” de células inteiras, abandonando a maior parte da maquinaria celular para um estilo de vida mínimo. Koonin e Krupovic defendem uma hipótese híbrida em que esses elementos genéticos primordiais roubaram genes da vida celular para construir suas partículas virais. Como existem várias origens para os vírus, é possível que eles tenham se originado de várias maneiras, diz Kuhn, que também atuou no comitê de ICTV e trabalhou na nova proposta de taxonomia.
Assim, embora as árvores virais e celulares da vida sejam distintas, os ramos se tocam e os genes passam entre os dois. Se os vírus contam como “vivos”, depende da sua definição pessoal de vida. Muitos pesquisadores não os consideram seres vivos, mas outros discordam. “Tenho a tendência de acreditar que eles estão vivos”, diz Hiroyuki Ogata, um bioinformático que trabalha com vírus na Universidade de Kyoto, no Japão. “Eles estão evoluindo, têm material genético composto de DNA e RNA e são muito importantes na evolução de toda a vida.”
A classificação atual é amplamente reconhecida como apenas a primeira tentativa, e alguns virologistas dizem que é uma bagunça. Muitas famílias ainda carecem de vínculos com qualquer reino. “O bom é que estamos tentando colocar alguma ordem nessa bagunça”, diz Martinez-Garcia.
Transformadores do mundo
Com a massa total de vírus na Terra equivalente a 75 milhões de baleias azuis, os cientistas têm certeza de que fazem a diferença nas redes alimentares, nos ecossistemas e até na atmosfera do planeta. A descoberta acelerada de novos vírus “revelou um divisor de águas de novas maneiras como os vírus afetam diretamente os ecossistemas”, diz Matthew Sullivan, um virologista ambiental da Ohio State University em Columbus. Mas os cientistas ainda estão lutando para quantificar o impacto que eles têm.
“Não temos uma história muito simples por aqui no momento”, diz Ogata. No oceano, os vírus podem explodir de seus hospedeiros microbianos, liberando carbono para ser reciclado por outros que comem as vísceras do hospedeiro e, em seguida, produzem dióxido de carbono. Mas, mais recentemente, os cientistas também passaram a apreciar que as células estouradas muitas vezes se agrupam e afundam no fundo do oceano, sequestrando o carbono da atmosfera.
Em terra, o degelo do permafrost é uma importante fonte de carbono, diz Sullivan, e os vírus parecem ser fundamentais na liberação de carbono dos micróbios naquele ambiente. Em 2018, ele e seus colegas descreveram 1.907 genomas virais e fragmentos coletados do degelo do permafrost na Suécia, incluindo genes para proteínas que podem influenciar como os compostos de carbono se quebram e, potencialmente, se tornam gases de efeito estufa.
Os vírus também podem influenciar outros organismos, agitando seus genomas. Por exemplo, quando os vírus transferem genes de resistência a antibióticos de uma bactéria para outra, as cepas resistentes a medicamentos podem assumir o controle. Com o tempo, esse tipo de transferência pode criar grandes mudanças evolutivas na população, diz Camarillo-Guerrero. E não apenas em bactérias – cerca de 8% do DNA humano é de origem viral. Por exemplo, nossos ancestrais mamíferos adquiriram um gene essencial para o desenvolvimento da placenta de um vírus.
Para muitas questões sobre estilos de vida virais, os cientistas precisarão de mais do que apenas genomas. Eles precisarão encontrar os hospedeiros do vírus. O próprio vírus pode carregar pistas: pode estar carregando uma parte reconhecível do material genético do hospedeiro em seu próprio genoma, por exemplo.
Martinez-Garcia e seus colegas usaram a genômica de uma única célula para identificar os micróbios que continham o vírus 37-F6 recém-descoberto. O hospedeiro também é um dos organismos mais abundantes e diversos do mar, uma bactéria conhecida como Pelagibacter. Em algumas águas, o Pelagibacter constitui metade das células presentes. Se apenas esse tipo de vírus desaparecesse repentinamente, diz Martinez-Garcia, a vida no oceano perderia o equilíbrio.
Para entender o impacto total de um vírus, os cientistas precisam descobrir como ele muda seu hospedeiro, diz Alexandra Worden, ecologista evolucionista do GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research em Kiel, Alemanha. Ela está estudando vírus gigantes que carregam genes para proteínas coletoras de luz chamadas rodopsinas. Teoricamente, esses genes podem ser úteis para os hospedeiros – para fins como transferência de energia ou sinalização – mas as sequências não podem confirmar isso. Para descobrir o que está acontecendo com esses genes da rodopsina, Worden planeja cultivar o hospedeiro e o vírus juntos e estudar como o par funciona no estado combinado de “virocélula”. “A biologia celular é a única maneira de você dizer qual é esse verdadeiro papel, como isso realmente afeta o ciclo do carbono”, diz ela.
De volta à Flórida, Breitbart não cultivou seus vírus de aranha, mas aprendeu um pouco mais sobre eles. O par de vírus pertence a uma categoria que Breitbart chama de alucinante por seus minúsculos genomas circulares, codificando apenas um gene para sua capa protéica e um para sua proteína de replicação. Um dos vírus é encontrado apenas no corpo da aranha, nunca em suas pernas, então ela acha que está infectando alguma criatura que a aranha come. O outro vírus é encontrado em todo o corpo da aranha e em seus ovos e filhotes, então ela acha que é transmitido de pais para filhos. Não parece estar fazendo mal a eles, pelo que Breitbart pode dizer.
Com os vírus, “encontrá-los é realmente a parte fácil”, diz ela. Detectar como os vírus influenciam os ciclos de vida e a ecologia do hospedeiro é muito mais complicado. Mas, primeiro, os virologistas devem responder a uma das perguntas mais difíceis de todas. Breitbart diz: “Como você escolhe qual estudar?”
Publicado em 02/07/2021 10h44
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