Вирусные волны: новый взгляд на эволюцию и адаптацию вирусов
Исследователи из Кембриджского университета разработали экспериментальную и теоретическую платформу для изучения эволюции вирусов во время их распространения внутри организма.
В исследовании, опубликованном в Physical Review X, учёные использовали данные экспериментов и моделирование экосистемы фаг-бактерия. Они обнаружили, что вирусные экспансии могут переходить от «вытянутых» (pulled) волн, где распространение ведут передовые вирусные частицы на самом краю популяции, к «толкаемым» (pushed) волнам, где движение фронта обеспечивают вирусы, возникающие позади фронта, внутри уже заражённой области.
Ключевой вывод: «толкаемые» волны, как известно, сохраняют генетическое разнообразие гораздо дольше, чем «вытянутые». Результаты подтвердили, что это справедливо и для вирусных экспансий.
Это новое понимание предполагает, что вирусные популяции могут быть гораздо более адаптивными, чем считалось ранее, и поможет строить более точные модели для прогнозирования эволюции вирусов в заражённых организмах.
«"Толкаемые" экспансии обычно наблюдаются в популяциях, демонстрирующих кооперативное поведение, например, у стад животных. Однако о каком-либо сотрудничестве между этими вирусами ничего не известно», — пояснил первый автор Майкл Хантер из Кавендишской лаборатории.
«Здесь мы использовали модельную экосистему бактериофага T7 и его хозяина, E. coli, чтобы продемонстрировать, что "толкаемые" волны возникают при вирусной экспансии, даже если явного сотрудничества между вирусными частицами не существует».
«Наши наблюдения показывают, что переход от "вытянутой" к "толкаемой" экспансии спонтанно возникает из-за обратной связи между динамикой вируса и хозяина, при которой распространение вируса зависит от плотности хозяина, которая, в свою очередь, непрерывно изменяется вирусом по мере продвижения экспансии».
Команда обнаружила два независимых физических механизма, которые способствуют этой обратной связи вирус-хозяин и определяют параметры, влияющие на переход между типами экспансий:
- Объёмное исключение в переполненных средах: клетки хозяина представляют собой физические препятствия, затрудняющие диффузию вируса.
- Инкубационный период вируса: время, когда вирус находится внутри клетки-хозяина и не способен к диффузии.
«Наши результаты указывают на систему фаг-бактерия как на высококонтролируемую платформу для экспериментального исследования динамики расширяющихся популяций с плотностно-зависимым распространением», — сказала старший автор доктор Диана Фуско.
«Помимо фагов, наши выводы показывают, что вирусные экспансии могут сохранять генетическое разнообразие гораздо дольше, чем считалось. Это говорит о том, что вирусные популяции, расширяющиеся в заражённом организме, могут быть очень адаптивны к изменениям среды. Это понимание поможет в создании лучших моделей роста и эволюции вирусов в инфицированных тканях и организмах».