[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出建立全球核酸观测站（NAO），通过持续对水道和生活污水进行宏基因组测序，实时监测核酸频率基线的偏离，以检测新发病原体和入侵物种。该系统通过环境DNA/RNA监测捕捉此前未知的生物威胁，实现对大流行病、生物防御和地球健康状况的普遍早期预警。

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.

研究动机与目标

• 建立一个全球监测系统，能够在新发或新兴病原体造成大规模暴发之前实现检测。
• 应对迫切需求，即在SARS-CoV-2大流行迅速全球传播的教训下，实现对大流行威胁的早期检测。
• 创建一种通用的、非侵入性方法，通过环境核酸采样监测生物多样性，并检测有害生物的指数级增长。
• 通过实时追踪生态系统中微生物和入侵物种的动态，支持地球健康。
• 建立一个全面的、开放获取的序列数据库，推动生态学、微生物学和保护科学的变革。

提出的方法

• 在全球水道沿线及污水处理厂部署环境采样站点网络，持续收集核酸物质。
• 使用高通量宏基因组测序技术，对每个样本中所有存在的核酸进行谱系分析，包括病毒、细菌、真菌和真核生物的DNA和RNA。
• 在每个采样点建立历史核酸序列频率基线，以检测表明新型或入侵生物指数增长的偏离。
• 实施计算分析流程，将实时序列数据与基线分布进行比较，以标记异常情况。
• 将全球各站点的数据整合至统一的观测站平台，实现实时分析与早期预警。
• 通过开放获取存储库确保数据共享与透明，以支持全球科研和公共卫生响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过持续的、全球范围的环境水样宏基因组测序，在临床或流行病学信号出现前检测到新发病原体？
• RQ2 历史核酸频率基线的偏离在多大程度上可作为病原体或入侵物种出现的早期指标？
• RQ3 该系统通过环境测序检测此前未知或未表征的生物威胁的效率如何？
• RQ4 建立一个实时、全球性的核酸多样性监测观测站的可行性与可扩展性如何？
• RQ5 该系统如何通过在疫情暴发前实现主动干预，支持生物防御和地球健康？

主要发现

• NAO概念能够检测任何正在经历指数增长的病毒或入侵生物，即使其此前未被科学界所知，仅通过在水道中捕获其核酸即可实现。
• 该系统通过识别历史核酸频率基线的偏离，实现对任何病原体的普遍早期预警，且无需事先知晓病原体信息。
• 持续的环境测序可检测到微弱的生物武器释放，通过识别异常的核酸特征。
• 该观测站将生成一个庞大且开放获取的序列数据库，足以推动生态学和微生物学研究的变革。
• 该方法利用现有的污水和环境采样基础设施，使其在全球部署中具备可扩展性和成本效益。
• 该系统具备实时监测能力，可缩短大流行响应延迟，可能在疫情早期阶段遏制指数级传播。