[論文レビュー] A Global Nucleic Acid Observatory for Biodefense and Planetary Health

The Nucleic Acid Observatory Consortium|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Bacteriophages and microbial interactions被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、水路および下水の連続メタゲノムシーケンシングを用いて、歴史的核酸頻度ベースラインからの逸脱をモニタリングすることにより、リアルタイムで出現する病原体および侵入種を検出するグローバル核酸観測所（NAO）の構想を提示する。このシステムにより、未知の生物学的脅威を環境DNA/RNA監視によって捉えることによって、パンデミック、生物防衛、地球環境の健康に関する普遍的な早期警戒が可能になる。

ABSTRACT

The spread of pandemic viruses and invasive species can be catastrophic for human societies and natural ecosystems. SARS-CoV-2 demonstrated that the speed of our response is critical, as each day of delay permitted exponential growth and dispersion of the virus. Here we propose a global Nucleic Acid Observatory (NAO) to monitor the relative frequency of everything biological through comprehensive metagenomic sequencing of waterways and wastewater. By searching for divergences from historical baseline frequencies at sites throughout the world, NAO could detect any virus or invasive organism undergoing exponential growth whose nucleic acids end up in the water, even those previously unknown to science. Continuously monitoring nucleic acid diversity would provide us with universal early warning, obviate subtle bioweapons, and generate a wealth of sequence data sufficient to transform ecology, microbiology, and conservation. We call for the immediate construction of a global NAO to defend and illuminate planetary health.

研究の動機と目的

• 広範な流行を引き起こす前に未知または新規の病原体を検出できるグローバル監視システムを構築すること。
• SARS-CoV-2パンデミックが示したように、急速に世界中に広がるパンデミック脅威の早期検出の重要性に対応すること。
• 環境核酸サンプリングを通じて、有害生物の増加が指数関数的であることを特定する、普遍的で非侵襲的な生物学的多様性のモニタリング手法を構築すること。
• 生態系全体における微生物および侵入種の動態をリアルタイムで追跡することで、地球環境の健康を支援すること。
• 生態学、微生物学、保全科学を変革する十分な包括的かつオープンアクセスの配列データベースを生成すること。

提案手法

• 水路および下水処理施設に沿って、核酸材料を継続的に収集するグローバルな環境サンプリング地点のネットワークを展開すること。
• ハイ・スループットなメタゲノムシーケンシングを用いて、各サンプルに含まれるすべての核酸（ウイルス、細菌、真菌、真核生物のDNAおよびRNA）をプロファイリングすること。
• 各地点における核酸配列の歴史的ベースライン頻度を確立し、新規または侵入種の増加を示す逸脱を検出すること。
• 計算パイプラインを導入し、リアルタイムの配列データをベースライン分布と比較して異常を特定すること。
• グローバルな地点間のデータを統合し、リアルタイム分析と早期警戒を可能にする統合型観測所プラットフォームを構築すること。
• グローバルな研究および公衆衛生対応を支援するため、オープンアクセスリポジトリを活用してデータ共有と透明性を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境水サンプルの連続的かつグローバルなメタゲノムシーケンシングは、臨床的または疫学的サインが現れる前に対象病原体を検出可能か？
• RQ2 歴史的核酸頻度ベースラインからの逸脱が、病原体または侵入種の出現をどの程度早期に示す指標として機能するか？
• RQ3 環境シーケンシングによって、これまでに未知または未同定の生物学的脅威をどの程度効果的に検出できるか？
• RQ4 核酸多様性モニタリングのためのリアルタイムでグローバルな観測所を設立することは、実現可能でスケーラブルか？
• RQ5 このようなシステムは、流行発生前に予防的対応を可能にすることで、生物防衛および地球環境の健康をどの程度支援できるか？

主な発見

• NAOの概念により、科学的に未知の状態であっても、水路に存在する核酸を捉えることで、指数関数的増加を示しているいかなるウイルスや侵入種に対しても検出が可能になる。
• 事前の病原体の知識に依存せず、歴史的核酸頻度ベースラインからの逸脱を特定することで、普遍的な早期警戒が可能になる。
• 継続的な環境シーケンシングにより、微細な生物兵器の放出が、異常な核酸シグネチャの検出によって回避可能になる。
• 観測所は、生態学的および微生物学的研究を変革する十分な規模の巨大なオープンアクセス配列データベースを生成する。
• このアプローチは、既存の下水および環境サンプリングインfraストラクチャを活用しており、グローバル展開に向けたスケーラビリティとコスト効率が確保される。
• このシステムのリアルタイム監視能力により、パンデミック対応の遅延が短縮され、流行の初期段階における指数関数的伝播の抑制が可能になる可能性がある。