[논문 리뷰] A Global Nucleic Acid Observatory for Biodefense and Planetary Health

The Nucleic Acid Observatory Consortium|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 05.

Bacteriophages and microbial interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수문과 생활용수 처리장에서 연속적인 메타게놈 시퀀싱을 통해 이전의 핵산 빈도 기준선에서의 이탈을 모니터링하여 실시간으로 발생하는 병원체 및 침입종을 감지하는 글로벌 핵산 관측소(NAO)를 제안한다. 이 시스템은 기존에 알려지지 않은 생물적 위협을 환경 DNA/RNA 감시를 통해 실시간으로 포착함으로써 패닉, 생물방어 및 행성 건강을 위한 보편적인 조기경보를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지속적인 대규모 유행병을 일으킬 수 있는 새로운 또는 발생 중인 병원체를 사전에 탐지할 수 있는 글로벌 감시 체계를 구축하는 것.
• 사스-CoV-2 유행병이 빠르게 전 세계로 확산된 것처럼, 유행병 위협을 조기에 탐지할 긴급한 필요성을 해결하는 것.
• 환경 핵산 샘플링을 통해 유해한 생물의 기하급수적 증식을 비침습적으로 모니터링할 수 있는 보편적인 방법을 창출하는 것.
• 생태계 전반에서 미생물 및 침입종의 역학을 실시간으로 추적함으로써 행성 건강을 지원하는 것.
• 생태학, 미생물학 및 보존 과학을 혁신적으로 변화시킬 만한 종합적이고 개방형 시퀀스 데이터베이스를 구축하는 것.

제안 방법

• 수문과 생활용수 처리장에 걸쳐 글로벌 환경 샘플링 지점을 배치하여 핵산 물질을 연속적으로 수거하는 것.
• 고통도 메타게놈 시퀀싱을 사용하여 각 샘플에 포함된 모든 핵산(바이러스, 박테리아, 곰팡이, 진핵생물의 DNA 및 RNA 포함)을 프로파일링하는 것.
• 각 지점에서의 이전 핵산 서열 빈도 기준선을 설정하여 새로운 또는 침입종의 기하급수적 증식을 나타내는 이탈을 탐지하는 것.
• 실시간 시퀀스 데이터를 기준 분포와 비교하여 이상치를 경고하는 계산 기반 파ip라인을 구현하는 것.
• 글로벌 지점 간의 데이터를 통합하여 실시간 분석과 조기경보를 위한 통합된 관측소 플랫폼을 구축하는 것.
• 글로벌 연구 및 공중보건 대응를 지원하기 위해 개방형 레포지토리로 데이터 공유 및 투명성을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지속적인 글로벌 환경 수 샘플의 메타게놈 시퀀싱은 임상적 또는 역학적 신호가 나타나기 이전에 발생하는 병원체를 감지할 수 있는가?
• RQ2 이전의 핵산 빈도 기준선에서의 이탈이 병원체 또는 침입종의 출현을 조기에 나타내는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 환경 시퀀싱을 통해 이전에 알려지지 않았거나 특성화되지 않은 생물적 위협을 얼마나 효과적으로 감지할 수 있는가?
• RQ4 실시간 글로벌 핵산 다양성 모니터링 관측소를 구축하는 데 실현 가능성과 확장성이 있는가?
• RQ5 이러한 시스템은 유행병 발생 이전에 사전 대응을 가능하게 함으로써 생물방어 및 행성 건강을 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• NAO 개념은 과거 과학적으로 알려지지 않은 바이러스나 침입종이 기하급수적 증식을 보일 경우에도, 그들의 핵산을 수문에서 캡처함으로써 이를 탐지할 수 있다.
• 이 시스템은 기존에 알려지지 않은 병원체에 대한 사전 지식 없이도 이전의 핵산 빈도 기준선에서의 이탈을 식별함으로써 보편적인 조기경보를 제공한다.
• 지속적인 환경 시퀀싱은 이상한 핵산 서열을 통해 미세한 생물무기 방출도 탐지함으로써 이를 회피할 수 있다.
• 관측소는 생태학 및 미생물학 연구를 혁신적으로 변화시킬 만큼 방대한 개방형 시퀀스 데이터베이스를 생성할 것이다.
• 이 접근법은 기존의 생활용수 및 환경 샘플링 인프라를 활용하므로 글로벌 배포에 있어 확장 가능하고 비용 효율적이다.
• 이 시스템의 실시간 모니터링 능력은 패닉 대응 지연을 줄일 수 있으며, 유행 초기 단계에서 기하급수적 전파를 억제하는 데 기여할 수 있다.