ไวโรม การศึกษาชุมชนไวรัสในระบบนิเวศและสิ่งมีชีวิต

ไวโรม (Virome) หมายถึง กลุ่มหรือชุดของไวรัสทั้งหมดที่พบในระบบนิเวศ สิ่งมีชีวิต หรือโฮโลไบออนต์ (Holobiont) หนึ่งๆ ซึ่งมักถูกสำรวจและวิเคราะห์ผ่านการหาลำดับนิวคลีอิกแอซิดด้วยวิธีเมทาจีโนมิกส์ (Metagenomic sequencing) คำนี้มักใช้เพื่ออธิบายผลลัพธ์จากการวิเคราะห์เมทาจีโนมแบบช็อตกัน (Shotgun metagenomes) ของไวรัสในสิ่งแวดล้อม

ไวรัส รวมถึงแบคทีเรียโอฟาจ (Bacteriophages) สามารถพบได้ในทุกสภาพแวดล้อมบนโลก การศึกษาไวโรมช่วยให้มนุษย์เข้าใจถึงกลไกการหมุนเวียนของสารอาหาร การพัฒนาระบบภูมิคุ้มกัน และการถ่ายทอดทางพันธุกรรมผ่านกระบวนการไลโซเจนิกคอนเวอร์ชัน (Lysogenic conversion) ซึ่งเป็นแหล่งสำคัญของยีนใหม่ๆ ในสิ่งมีชีวิต

ประวัติและการพัฒนาการศึกษา

การศึกษาไวโรมอย่างครอบคลุมเริ่มต้นขึ้นด้วยการใช้เทคนิคการหาลำดับเบสแบบช็อตกันของชุมชน (Shotgun community sequencing) หรือที่รู้จักกันในชื่อ เมทาจีโนมิกส์ (Metagenomics) ในช่วงทศวรรษ 2000 ห้องปฏิบัติการ Rohwer ได้ทำการหาลำดับไวโรมจากตัวอย่างที่หลากหลาย เช่น น้ำทะเล ตะกอนในทะเล อุจจาระของผู้ใหญ่และทารก ดิน และเลือด

นอกจากนี้ยังมีการริเริ่มการศึกษา RNA ไวโรมเป็นครั้งแรกโดยความร่วมมือกับสถาบันจีโนมิกส์แห่งสิงคโปร์ (Genomic Institute of Singapore) ผลจากการศึกษาในยุคแรกชี้ให้เห็นว่า ความหลากหลายทางพันธุกรรมส่วนใหญ่ของโลกถูกบรรจุอยู่ในไวโรม และความหลากหลายส่วนใหญ่นี้ยังไม่ได้รับการระบุเอกลักษณ์ (Uncharacterized) ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลจากการหาลำดับจีโนมรายตัว โดยเฉพาะในกลุ่มไมโคแบคทีเรียมฟาจ (Mycobacterium phage)

ในช่วงปลายทศวรรษ 2010 ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการหาลำดับเบสทำให้สามารถเจาะลึกข้อมูลไวโรมได้มากขึ้น โดยเฉพาะไวโรมในลำไส้ของมนุษย์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน

วิธีการศึกษาไวโรม

ในการศึกษาไวโรม นักวิจัยต้องแยกอนุภาคที่คล้ายไวรัส (Virus-like particles - VLPs) ออกจากส่วนประกอบของเซลล์ โดยทั่วไปจะใช้กระบวนการผสมผสานระหว่าง:

• การกรอง (Filtration): เพื่อแยกอนุภาคขนาดเล็กออกจากเซลล์
• การปั่นเหวี่ยงตามความหนาแน่น (Density centrifugation): เพื่อให้ได้อนุภาคไวรัสที่บริสุทธิ์
• การบำบัดด้วยเอนไซม์ (Enzymatic treatments): เพื่อกำจัดนิวคลีอิกแอซิดอิสระที่ไม่ได้อยู่ในอนุภาคไวรัส

หลังจากนั้น นิวคลีอิกแอซิดที่สกัดได้จะถูกนำไปหาลำดับเบสและวิเคราะห์ด้วยวิธีเมทาจีโนมิกส์ นอกจากนี้ ในปัจจุบันยังมีวิธีการทางคอมพิวเตอร์ที่สามารถค้นหาไวรัสจากลำดับเมทาจีโนมที่ประกอบขึ้นมาได้โดยตรงโดยไม่ต้องแยกอนุภาคไวรัสก่อน

ตัวอย่างโครงการสำคัญคือ Global Ocean Viromes (GOV) ซึ่งเป็นชุดข้อมูลที่เกิดจากการหาลำดับเบสเชิงลึกจากตัวอย่างมากกว่า 150 ตัวอย่างที่เก็บจากมหาสมุทรทั่วโลก

ความสัมพันธ์ระหว่างไวรัสและโฮสต์

ไวรัสเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีจำนวนมากที่สุดบนโลก แต่ความท้าทายในการตรวจวัด การแยกเชื้อ และการจำแนกประเภททำให้การสำรวจไวโรมทั่วโลกยังไม่สมบูรณ์ จากการวิเคราะห์ข้อมูลเมทาจีโนมมากกว่า 5 Terabytes จาก 3,042 ตัวอย่างทั่วโลก พบว่ามีการใช้เครื่องมือทางคอมพิวเตอร์เพื่อระบุความเชื่อมโยงระหว่างไวรัสและโฮสต์

การระบุโฮสต์ผ่านระบบ CRISPR-Cas

นักวิจัยใช้ระบบภูมิคุ้มกัน CRISPR-Cas ของโปรคาริโอต ซึ่งทำหน้าที่เป็น "ห้องสมุด" เก็บชิ้นส่วนจีโนมของฟาจ (Proto-spacers) ที่เคยติดเชื้อในโฮสต์ โดยการจับคู่ลำดับ Spacer จากจีโนมของจุลินทรีย์กับลำดับไวรัสในเมทาจีโนม (mVCs) ทำให้สามารถระบุโฮสต์ของไวรัสบางกลุ่มได้

การระบุโฮสต์ผ่าน tRNA

การวิเคราะห์ยีน transfer RNA (tRNA) ของไวรัสที่พบใน mVCs พบว่ามีความสอดคล้องกับจีโนมของโฮสต์ในระดับสกุล (Genus) สูงถึง 94% เมื่อเทียบกับข้อมูลจาก CRISPR-Cas วิธีการเหล่านี้ช่วยให้ระบุความสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์และไวรัสได้เกือบ 10,000 คู่ ซึ่งรวมถึงโฮสต์จาก 16 ไฟลัมของโปรคาริโอตที่ไม่เคยมีการค้นพบไวรัสมาก่อน

โดยทั่วไป ไวรัสส่วนใหญ่จะมีความจำเพาะเจาะจงต่อโฮสต์ที่ใกล้ชิดกันทางสายวิวัฒนาการ อย่างไรก็ตาม อาจมีไวรัสบางชนิดที่เป็น "Generalists" ซึ่งสามารถติดเชื้อโฮสต์ที่อยู่ต่างกลุ่มทางอนุกรมวิธานได้