Des échantillons d'eau de mer prélevés dans le monde entier ont fourni un trésor de nouvelles données sur les virus à ARN, élargissant les possibilités de recherche écologique et modifiant notre compréhension de l'évolution de ces particules submicroscopiques petites mais importantes.
En combinant des analyses par apprentissage automatique avec des arbres évolutifs traditionnels, une équipe internationale de chercheurs a identifié 5 500 nouvelles espèces de virus à ARN qui représentent les cinq phyla connus de virus à ARN et suggèrent qu'il faudrait au moins cinq nouveaux phyla de virus à ARN pour les capturer.
La collection la plus abondante d'espèces nouvellement identifiées appartient à un phylum proposé que les chercheurs ont nommé Taraviricota, un clin d'œil à la source des 35 000 échantillons d'eau qui ont permis l'analyse : le Tara Oceans Consortium, une étude mondiale en cours à bord de la goélette Tara sur l'impact du changement climatique sur les océans du monde.
"Il y a tellement de diversité nouvelle ici - et un phylum entier, le Taraviricota, a été trouvé partout dans les océans, ce qui suggère qu'il est écologiquement important", a déclaré l'auteur principal Matthew Sullivan, professeur de microbiologie à l'université d'État de l'Ohio.
"Les virus à ARN sont manifestement importants dans notre monde, mais nous n'en étudions généralement qu'une infime partie - les quelques centaines qui nuisent aux humains, aux plantes et aux animaux. Nous voulions les étudier systématiquement à une très grande échelle et explorer un environnement que personne n'avait examiné en profondeur, et nous avons eu de la chance car pratiquement chaque espèce était nouvelle, et beaucoup l'étaient vraiment."
L'étude est publiée en ligne aujourd'hui (7 avril 2022) dans Science.
Si les microbes sont des contributeurs essentiels à toute vie sur la planète, les virus qui les infectent ou interagissent avec eux ont diverses influences sur les fonctions microbiennes. On pense que ces types de virus ont trois fonctions principales : tuer les cellules, modifier la façon dont les cellules infectées gèrent l'énergie et transférer des gènes d'un hôte à un autre.
Selon les chercheurs, une meilleure connaissance de la diversité et de l'abondance des virus dans les océans du monde permettra d'expliquer le rôle des microbes marins dans l'adaptation des océans au changement climatique. Les océans absorbent la moitié du dioxyde de carbone généré par l'homme dans l'atmosphère, et des recherches antérieures de ce groupe ont suggéré que les virus marins sont le "bouton" d'une pompe biologique qui affecte le stockage du carbone dans l'océan.
En relevant le défi de la classification des virus à ARN, l'équipe a pénétré dans des eaux encore agitées par les efforts antérieurs de catégorisation taxonomique qui se concentraient principalement sur les pathogènes viraux à ARN. Au sein du royaume biologique des Orthornavirae, cinq phyla ont été récemment reconnus par le Comité international sur la taxonomie des virus (ICTV).
Bien que l'équipe de recherche ait identifié des centaines de nouvelles espèces de virus à ARN qui correspondent à ces divisions existantes, son analyse a permis d'identifier des milliers d'autres espèces qu'elle a regroupées en cinq nouveaux phylums proposés : Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota et Arctiviricota, qui, comme Taraviricota, comprend des espèces très abondantes, du moins dans les eaux de l'océan Arctique, région du monde où le réchauffement climatique fait le plus de ravages.
L'équipe de Sullivan a depuis longtemps catalogué les espèces de virus ADN dans les océans, faisant passer les chiffres de quelques milliers en 2015 et 2016 à 200 000 en 2019. Pour ces études, les scientifiques avaient accès à des particules virales pour compléter l'analyse.
Dans ces efforts actuels pour détecter les virus à ARN, il n'y avait pas de particules virales à étudier. Au lieu de cela, les chercheurs ont extrait des séquences de gènes exprimés dans des organismes flottant dans la mer et ont limité l'analyse aux séquences d'ARN contenant un gène caractéristique, appelé RdRp, qui a évolué pendant des milliards d'années dans les virus à ARN et qui est absent des autres virus ou cellules.
L'existence de RdRp remontant à l'époque où la vie a été détectée pour la première fois sur Terre, la position de sa séquence a divergé de nombreuses fois, ce qui signifie que les relations traditionnelles des arbres phylogénétiques étaient impossibles à décrire avec les seules séquences. Au lieu de cela, l'équipe a utilisé l'apprentissage automatique pour organiser 44 000 nouvelles séquences de manière à pouvoir gérer ces milliards d'années de divergence de séquences, et a validé la méthode en montrant qu'elle pouvait classer avec précision les séquences de virus à ARN déjà identifiés.
"Nous devions évaluer le connu pour étudier l'inconnu", a déclaré M. Sullivan, également professeur d'ingénierie civile, environnementale et géodésique, directeur fondateur du Center of Microbiome Science de l'Ohio State et membre de l'équipe dirigeante de l'Institut d'intégration de la biologie EMERGE.
"Nous avons créé un moyen reproductible par calcul pour aligner ces séquences, de sorte que nous pouvons être plus sûrs que nous alignons des positions qui reflètent fidèlement l'évolution."
Une analyse plus poussée utilisant des représentations 3D des structures de séquences et l'alignement a révélé que le cluster de 5 500 nouvelles espèces ne correspondait pas aux cinq phyla existants de virus à ARN catégorisés dans le royaume des Orthornavirae.
Zayed a déclaré que l'ampleur des nouvelles données sur la divergence du gène RdRp au fil du temps permet de mieux comprendre comment la vie primitive a pu évoluer sur la planète.
"RdRp est censé être l'un des gènes les plus anciens - il existait avant que l'on ait besoin d'ADN", a-t-il déclaré. "Nous ne retraçons donc pas seulement les origines des virus, mais aussi les origines de la vie".
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation, l'Ohio Supercomputer Center, l'Ohio State's Center of Microbiome Science, l'EMERGE Biology Integration Institute, la Ramon-Areces Foundation et Laulima Government Solutions/NIAID. Les travaux ont également été rendus possibles par l'échantillonnage et la science sans précédent du Tara Oceans Consortium, de la fondation à but non lucratif Tara Ocean Foundation et de ses partenaires.
Les autres coauteurs de l'article sont les coauteurs principaux James Wainaina et Guillermo Dominguez-Huerta, ainsi que Jiarong Guo, Mohamed Mohssen, Funing Tian, Adjie Pratama, Ben Bolduc, Olivier Zablocki, Dylan Cronin et Lindsay Solden, tous du laboratoire de Sullivan ; Ralf Bundschuh, Kurt Fredrick, Laura Kubatko et Elan Shatoff du College of Arts and Sciences de l'Ohio State ; Hans-Joachim Ruscheweyh, Guillem Salazar et Shinichi Sunagawa de l'Institut de microbiologie et de l'Institut suisse de bioinformatique ; Jens Kuhn du National Institute of Allergy and Infectious Diseases ; Alexander Culley de l'Université Laval ; Erwan Delage et Samuel Chaffron de l'Université de Nantes ; et Eric Pelletier, Adriana Alberti, Jean-Marc Aury, Quentin Carradec, Corinne da Silva, Karine Labadie, Julie Poulain et Patrick Wincker du Genoscope.
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