Научни новини: Микро- и нанопластмаси и еволюция на вирусите

Микро- и нанопластмаси

Пластмасите са революционен материал, който много бързо след изобретяването му навлиза във всички области на живота и променя цели индустрии. В повечето случаи пластмасите са синтетични полимери, произвеждани от нефт (за някои вече се използват растителни суровини, например царевица), но тази зависимост не е най-големият проблем с тях. Комбинацията между широкото им разпространение, производството на големи обеми изделия за еднократна употреба и невъзможността да се разграждат в природата води до редица екологични предизвикателства.

Oсвен прякото замърсяване на природата с пластмаси има и друга уловка – при употребата им се получават микро- и нанопластмасови частици (МНП), които са с размер съответно под 5 мм и 1 µм. Част от тях се произвеждат за най-различни цели (ексфолианти в козметиката, за индустриални нужди), но друг източник е всекидневната употреба на пластмасови продукти. МНП се отделят при прането на синтетични дрехи, от пластмасовите съдове и прибори, от гумите на колите – почти няма дейност, свързана с употребата на пластмаса, която да не генерира известно количество от тях.

Вследствие на това те могат да бъдат открити навсякъде в околната среда – във въздуха, в естествени и изкуствени водни басейни, в почвата, откъдето попадат и в хранителните вериги на всички обитатели на екосистемите дори и в най-отдалечените места.

МНП са открити във водорасли, растящи под леда в протока Фрам, намиращ се между Гренландия и Свалбард в Северния ледовит океан. Видът Melosira arctica образува дълги нишки със слузеста покривка, която има способността да улавя частиците около себе си – от въздуха, водата и леда. Водораслите нарастват бързо през пролетта и лятото, след което клетките, изграждащи нишките, започват да отмират. След стопяването на ледените късове, върху които са прикрепени, водораслите се оплитат и образуват агрегати, които бързо потъват в дълбочините, носейки пластмасовите частици със себе си. Това обяснява откриването на МНП дори на дълбочина от няколко хиляди метра.

Веднъж попаднали там, те преминават в хранителната верига – от различни видове зоопланктон, които служат за храна на арктическата треска, която от своя страна е жертва на различни водни птици и тюлени, които пък са част от менюто на полярните мечки.

От околната среда – чрез храната, – както и от продуктите, които използваме, МНП попадат и в нашите тела. Според една публикация всяка седмица поглъщаме по 5 г пластмаса, което грубо се равнява на една банкова карта. Ето защо зачестяват съобщенията за откриването им в различни човешки органи и индикациите, че това може да доведе до редица заболявания, стават притеснителни.

До сравнително скоро главният фокус беше върху химическите добавки в пластмасите, използвани за промяна на свойствата им, като бисфенол A (BPA), който има потенциал да наруши ендокринната система и действа сходно на естрогена. Въпреки че тези ефекти са слаби, поради широката му употреба хората са постоянно изложени на него, което води до редица регулации за приложението му в продукти за хранителната промишленост. Например в Европейския съюз той е включен в списъка на веществата, пораждащи сериозно безпокойство.

Може да се окаже обаче, че някои пластмаси имат такива свойства и без в тях да са вложени допълнителни вещества. За да определят ефекта от вдишването им, учени са изложили разгонени женски плъхове на аерозолен поток от полиамидни наночастици в концентрация, сходна с тази, на която сме изложени във всекидневието си. При вдишването им частиците би трябвало да покрият всички части на белите дробове, но това не е довело до възпалителни процеси в тях. Наблюдаваните промени са повишено кръвно налягане и стесняване на кръвоносните съдове в матката, без изменения в аортата.

Но най-интересно е, че макар качеството на използваната пластмаса да е било подходящо за хранителната индустрия и да са липсвали добавки, са отчетени понижени нива на естрадиол, който е един от основните женски хормони и има роля в регулирането на менструалния цикъл и развитието на гърдите. Това означава, че самите наночастици нарушават функциите на ендокринната система. Склонността на полиамида да се свързва с вещества, сходни с естрогена, вече е известна, но за първи път изследване показва директното му влияние in vivo след приемане по начин, който можем да срещнем всеки ден.

Освен че влияят върху хормоните, МНП могат да достигнат и най-различни органи, например мозъка. Скорошно изследване показва, че полистиреновите наночастици имат способността да преминат кръвно-мозъчната бариера. Полистиренът е полимер, който се използва изключително често в хранителната индустрия за еднократни опаковки, като кутии за бързо хранене и чаши (пример е експандираният полистирен – бялата „пухкава“ пластмаса, сходна със стиропора).

Използвайки компютърен модел с няколко различни условия, учените са проследили възможността за преминаване през липидна мембрана, сходна с тази, предпазваща мозъка. Контролното условие е с обикновени наночастици, а другите – с различна покривка, която се състои от холестерол или протеини, създаващи т.нар. биомолекулна корона – ефект, използван за доставяне на лекарства под формата на наночастици. Моделът е показал, че протеиновата корона възпрепятства частиците да преминат към нервната тъкан, докато холестеролната ги улеснява. Симулацията е потвърдена и in vivo в мишки, при които е установено, че частиците успешно са преминали в мозъка им само два часа след като са ги приели с храната си.

Преминаването на тази бариера е притеснително, защото тя има изключително важна защитна функция – предпазва мозъка от патогени и вредни вещества, които могат да циркулират в кръвообращението. Според учените навлизането на частиците в мозъка може да доведе до по-чести възпалителни процеси, които да са причина за развитие на тумори и невродегенеративни заболявания като алцхаймер и паркинсон.

Решение за въпроса с МНП все още няма, но по него се работи активно. Ограничаването на използваните пластмасови продукти е част от стратегията, но предвид масовостта и икономическите им предимства ще трябва да се разработят и системи за намаляването, улавянето и преработването.

Еволюция на вирусите

Повече от 100 години учените не могат да решат дали да класифицират вирусите като живи организми, но е неоспоримо, че те са ключов фактор в еволюцията и развитието на биосистемите и успешно използват всички познати организми като свои гостоприемници – бактерии, гъби, растения и животни, дори и други вируси. Това е благодарение на тяхната изключително разнообразна форма, структура и генетичен материал.

Двойноверижните ДНК (ДвДНК) вируси се класифицират в две основни групи – Varidnaviria (които са сравнително големи) и Duplodnaviria (които са по-малки). Първата е доста разнообразна и голяма част от вирусите в нея се намират в соленоводните басейни, но тя включва и причинителите на редица важни заболявания, като едра шарка, африканска чума по свинете и др. Малките вируси от своя страна са поели по два пътя – едните (Caudoviricetes) специализират по прокариотни организми и имат характерната за бактериофагите структура, докато другите са предпочели животните – това е групата на добре познатите херпес вируси (Herpesvirales). Това разделяне представлява интерес за учените, защото няма ясна следа откъде са произлезли херпес вирусите и каква е родствената връзка между големите и малките ДвДНК вируси.

Потенциално свързващо звено е открито в публичния набор данни от проекта Tara Oceans, целящ обследването на планктона в слоевете на океаните, в които достига слънчева светлина. При анализ на около 1000 метагенома и метатранскриптома (сборна информация за всички гени и информационни РНКи в една проба, най-често от различни индивиди/видове) за общи гени и протеини между отделните групи е установено съществуването на непознати до момента вируси, наречени mirusvirus (от лат. mirus – ’странно, неочаквано’). Техни гостоприемници са някои видове планктон и макар да са новооткрити, изглежда, че са сред широко разпространените групи вируси в океаните. Освен това данните сочат, че след като инфектират планктона, те са много активни в него, което показва потенциала им да регулират неговите популации. Така с потъването на мъртвите клетки се подхранват други екологични системи.

Геномът на тези вируси е сложен, съставен от части с различен произход. Повечето от гените им, наред с функционално важните за репликация и транскрипция на ДНК, са близки до тези на големите вируси. Но гените, отговарящи за образуването на капсида им (обвивката, която ги предпазва от околната среда и им помага да навлязат в гостоприемника) и служещи за таксономично определяне, показват връзка с групата на херпес вирусите. Според учените най-вероятно те са се появили от общ предшественик след процес, наречен редуктивна еволюция, при който части от генома на организмите отпадат.

Благодарение на екип от Оксфорд вече знаем повече и за произхода на вирусите от Bamfordvirae, част от групата Varidnaviria. Те са доста разнообразни и включват няколко основни вида, като NCLDV (най-големите вируси, открити до момента), аденовирусите (причиняващи настинки), вирофагите (вируси, паразитиращи по вируси), както и полинтоните – мобилни генетични елементи, които могат да се интегрират в генома на гостоприемника си.

До момента има две основни хипотези за появата им. Според първата – „отделяне от ядрото“ – предшествениците са били полинтони, които са се отделили от генома на по-сложни видове и са започнали да се разпространяват, паразитирайки, като с времето се обвиват в капсид, давайки начало на аденовирусите и NCLDV. При другата – „вирофаген произход“ – се предполага, че NCLDV са еволюирали заедно с вирофагите, от които с течение на времето са се отделили полинтоните и аденовирусите.

Използвайки статистически и филогенетични методи, учените са разгледали четири от най-важните гени, които се срещат във всички тези вируси и отговарят за оформянето на техния капсид. Получените резултати показват липса на пряка връзка между аденовирусите и NCLDV, което опровергава първата хипотеза. Според данните аденовирусите и полинтоните имат общ предшественик, който не е свързан с NCLDV. Подкрепата за втората хипотеза не е пълна, защото този предшественик не е бил вирофаг, но това не я отрича изцяло, така че авторите я приемат като най-вероятно обяснение за еволюционните процеси.

Според тях вирофагите са еволюирали наред с NCLDV, като са се специализирали да ги заразяват. Най-вероятно общият предшественик за цялата група е бил активен поне преди около един милиард години, обменяйки генетична информация с последния общ предшественик на еукариотните клетки (LECA). Това показва тясната връзка на вирусите с еволюцията на по-висшите организми и повдига въпроса дали те нямат принос за тези процеси.

Освен в миналото, вирусите ще са ключов участник и в бъдещето на екологичните процеси, протичащи на фона на глобалните климатични промени. Основен участник в глобалните цикли на въглерод и хранителни вещества са микроорганизмите, които ги синтезират, разграждат и трансформират от един вид в друг. Динамиката на тези процеси зависи от температурата и някои промени в тях са вече известни – ускоряване на отделянето на въглероден диоксид, преразпределяне във видовия състав.

Предвид важната връзка между вирусите и микроорганизмите, едно от притесненията на учените е, че не знаем как промените в климата ще се отразят на техните взаимодействия. Събраните в обзорна статия данни сочат, че с повишаване на температурата латентният период (от заразяване до отделяне на нови вирусни частици) се скъсява, броят на отделените вириони се увеличава, увеличава се и смъртността на гостоприемниците. Това би довело до сериозни промени в хранителните мрежи в микробиалните системи, но за съжаление, в момента има повече въпроси, отколкото отговори какви ще бъдат те.

Авторите предлагат торфените блата като моделна система, в която да се проучат по-добре както взаимодействията между вирусите и микроорганизмите, така и влиянието на температурата върху тях. Самите процеси в тези блата са сравнително добре изследвани, а вече започват да се появяват и публикации за ролята на вирусите в тях. Според опростен модел, описан в статията, може да се очаква, че с повишаването на температурата вирусите всъщност биха имали благоприятно влияние, тъй като ще увеличат значително количеството органичен въглерод, който след това ще премине в нещо като хранилище под формата на торф.

Освен ясно видимите промени, които вирусите могат да донесат за хората (най-ярък е пандемията, от която още не сме се възстановили), те може да се окажат ключов участник и в по-бавните и „невидими“ процеси, протичащи в екосистеми, на които не се обръща толкова внимание или пък е трудно да се изследват, като океаните и почвите. Вникването в еволюционните процеси в тези интересни видове, намиращи се на ръба между живото и неживото, ще ни помогне да се подготвим за промените в климата, които ни очакват.