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量子雜誌 (在此處查詢原始故事)。
2013年末的某個時候，一種名為基孔肯雅熱的蚊媒病毒首次出現在西半球。基孔肯雅熱，或簡稱“基克熱”，很少殺死人類宿主。但它會導致發燒、皮疹和使人衰弱的關節疼痛。自從首次抵達加勒比地區以來的兩年裡，基克熱已在美洲大陸瘋狂傳播。據信，它已感染了44個國家和地區的100多萬人，造成了遍及半球的蚊媒痛苦。
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導致基克熱成功的相同生物學特性，正在向研究人員展示如何對抗它以及其他類似病毒。基克熱是一種 RNA 病毒，就像流感、西尼羅河病毒、肝炎和埃博拉病毒等。與含有兩份遺傳資訊的 DNA 病毒不同，RNA 病毒是單鏈的。當它們複製時，單鏈中的任何錯誤都會被傳遞下去。因此，複製過程很粗糙，因此每一代新的 RNA 病毒都傾向於有很多錯誤。僅在幾代之內，單個病毒就可以變成密切相關的病毒的變異群。
這種病毒遺傳混亂為巴黎巴斯德研究所的病毒學家馬可·維格努齊提供了一種預測 RNA 病毒（如基克熱）未來進化的方法。維格努齊重現了基克熱在全球冒險早期發生的一次突變，這項工作闡明瞭該病毒如何在如此短的時間內如此廣泛地傳播。現在，維格努齊正試圖預測基克熱的未來。今年六月，在 新奧爾良舉行的美國微生物學會年會上，維格努齊展示了基克熱最有可能在接下來發生的兩種突變。
病毒是棘手而複雜的生物；沒有人能準確預測它們會做什麼。但是，如果研究人員想要領先於我們周圍快速變化的病毒世界一步，他們就需要解構病毒群。
病毒大雜燴
近 40 年來，科學家們一直致力於瞭解 RNA 病毒如何擁有如此多的突變，但仍然如此成功。
在 1970 年代後期，馬德里自治大學的病毒學家埃斯特萬·多明戈試圖使用一種感染細菌的 RNA 病毒來測量複製的粗糙程度。他發現，平均而言，每次病毒複製其基因組時，就會發生一次突變。因此，單個病毒會產生一系列幾乎但不完全相同的子代病毒。每一代都會產生另一系列病毒，從而導致多明戈所說的“變異雲”病毒。
然而，病毒雲中的大多數突變都會給病毒帶來問題。研究人員認為，任何健康的病毒的單一突變版本都可能註定要滅絕。但隨後在 2006 年，科學家們發表了一篇關於緬甸一種蓬勃發展的登革熱病毒的報告，該病毒在一個重要基因的中間存在本應是災難性的錯誤。
當病毒感染細胞時，它開始複製細胞的基因組，並在複製過程中發生突變。當子代病毒在基因和蛋白質的細胞質湯中組裝自身時，最終產生的整體病毒通常是這些突變副本的混合物。如果一個突變產生了一個無效蛋白質，就像登革熱病毒發生的那樣，病毒可以存活下來，因為病毒群中的其他病毒有一個好的副本。多明戈說，把它想象成一個大雜燴。主人要求人們帶上多種菜餚。這樣，如果任何人遲到或烤糊了餡餅，那麼缺少一件物品也不會毀掉晚餐。
對於病毒來說，多種選擇不僅使其能夠感染不同的宿主（如基克熱和登革熱病毒對人類和蚊子所做的那樣），而且還能感染同一宿主內的不同組織。多明戈說：“這種突變雲使病毒更容易探索新的組織和新的宿主。”
2005 年，維格努齊在加利福尼亞大學舊金山分校的病毒學家勞爾·安迪諾的實驗室擔任研究員時，正在研究另一種 RNA 病毒——脊髓灰質炎病毒。脊髓灰質炎感染往往始於腸道並轉移到大腦；維格努齊想研究病毒多樣性在這一飛躍中起到的作用。他首先改造了一種脊髓灰質炎病毒，該病毒複製其基因組時產生的錯誤比平時少。只要直接注射並且不必長途跋涉到達那裡，該病毒就可以很好地感染大腦。但是，如果沒有多樣性群，病毒就無法從腸道轉移到大腦。
接下來，維格努齊及其同事使用化學物質誘導這種脊髓灰質炎病毒發生突變，從而擴大了變異雲的規模。脊髓灰質炎病毒從腸道傳播到大腦，然後很好地感染了大腦。病毒需要一個大型的病毒群才能完成其工作。
維格努齊說：“這是我們第一次可以控制突變數量，並檢視突變群是否具有生物學相關性，或者只是一個意外。我們發現，當您的病毒群受到更多限制時，您就無法很好地適應。”
另一方面，過多的突變對病毒群也不利。多明戈和維格努齊指出，流行的抗病毒藥物利巴韋林迫使病毒發展出一個如此龐大且充滿突變的病毒群，以至於由此產生的病毒大雜燴缺少重要組成部分。維格努齊說：“病毒必須最佳化病毒群的大小，使其擁有足夠的突變體，以便能夠適應新條件，但又不會犯太多錯誤，否則會殺死您的種群。”
病毒變體還使病毒能夠進化並傳播到新的物種。2009 年，舊金山北部洪堡縣的灰狐狂犬病爆發被追溯到跳躍到狐狸身上的臭鼬病毒。為了瞭解這種跳躍可能發生的時間，加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的病毒學家莫妮卡·博魯奇使用先進的下一代基因測序技術來檢查狂犬病感染動物的病毒群，時間可以追溯到 1995 年。這種深度測序技術使研究人員能夠搜尋病毒中的次要變體，這些變體可以獲得突變並最終佔據主導地位。事實上，博魯奇甚至在最早的樣本中也發現了爆發病毒的遺傳痕跡。
2013 年發表在PLOS 被忽視的熱帶病上的結果表明，個體中罕見的病毒變體提供了關鍵的遺傳多樣性庫，可以幫助病毒跨物種跳躍和進化。它還提供了一些初步線索，如果科學家能夠解構病毒群，這些線索可以幫助科學家開始預測未來可能發生的事情。
一次突變，一次巨大的飛躍
在距離博魯奇加利福尼亞實驗室半個地球之遙的地方，維格努齊已將注意力轉向基孔肯雅熱，在法屬島嶼留尼汪島爆發疫情後，基孔肯雅熱引起了公眾和科學界的興趣，該疫情使該島三分之一以上的人口患病。基孔肯雅熱經常在非洲東海岸發現，它透過埃及伊蚊傳播，但留尼汪島的埃及伊蚊非常少。相反，該島有一種密切相關的物種，稱為亞洲虎蚊（白紋伊蚊）。基克熱通常在亞洲虎蚊中表現不佳，但在留尼汪島，該病毒似乎正在蓬勃發展。研究人員最終意識到，病毒外殼蛋白中的單個突變使基克熱能夠開啟亞洲虎蚊細胞的鎖並更容易地進入。
當研究人員將來自肯亞的原始毒株與留尼汪島的毒株進行比較時，他們發現留尼汪島毒株對亞洲虎蚊的適應性提高了 40 到 100 倍——對於僅僅一次突變來說，這是一個驚人的飛躍。隨後的工作表明，當基克熱疫情在印度洋沿岸國家蔓延時，至少又發生了三次類似的突變。
由於這種突變如此簡單且如此有利，維格努齊決定看看它是否會在他觀察的實驗室中再次發生。如果確實如此，這將提供一些初步證據，表明研究人員可以觀察病毒群的適應過程，甚至可以預測其未來。他取了在肯亞傳播的原始基孔肯雅熱毒株，並感染了一群亞洲虎蚊。
與脊髓灰質炎病毒一樣，基克熱在體內從一個地方移動到另一個地方。它首先在蚊子的中腸中複製，然後進入唾液腺，然後再進入唾液，這個過程大約需要一週時間。
在這個過程的第七天，維格努齊和他的博士後肯尼斯·斯泰普爾福德解剖了蚊子，從中腸、唾液腺和唾液中提取了病毒，並對每個樣本中發現的病毒進行了測序。在中腸中，他們發現了許多隨機突變，但沒有單個突變出現在不止一隻蚊子身上。然而，唾液講述了一個不同的故事。四隻蚊子中的三隻的唾液中含有留尼汪島突變體。在其中一隻蚊子中，留尼汪島突變體佔病毒總數的 99%。
維格努齊說：“我們能夠在七天內創造出一種流行毒株在病毒群中出現的現象，這種現象在自然界中至少需要幾年才能發生。”
病毒在留尼汪島並沒有停止進化。持續的爆發意味著持續的進化機會。第一個突變在實驗室中如此迅速地出現，以至於維格努齊和斯泰普爾福德開始懷疑他們是否可以預測病毒的進一步變化。因此，他們重複了實驗，但這一次他們首先用留尼汪島毒株感染蚊子。他們讓病毒在蚊子體內滲透 10 天，以便給它更多的時間來獲得新的突變。他們再次對在各種蚊子組織中發現的病毒進行了測序，他們確定了兩種新的突變體，這兩種突變體在與原始留尼汪島突變體相同的鎖孔蛋白中都發生了突變，他們將結果去年發表在細胞宿主與微生物上。維格努齊在六月份的微生物學會議上介紹了正在進行的工作，其中包括追蹤這些突變如何在小鼠（基孔肯雅熱感染人類的替代品）中被選擇出來。
一種新的適應度衡量標準
病毒群概念正迫使一些科學家重新思考群體遺傳學的一些基本原則。安迪諾表示，通常，病毒的適應度是透過它可以製造的自身副本數量與另一種病毒相比來衡量的。但是，他說，這並沒有捕捉到全貌。像安迪諾和多明戈這樣的病毒學家認為，病毒的進化適應度應包括其突變能力。安迪諾說：“如果感染是一個適應過程，那麼適應能力更強的病毒就能更好地適應。”
此外，您無法衡量單個病毒的適應度。由於單個病毒變體可以合作和相互作用，並在其最終產品中輕鬆交換蛋白質，因此進化可以選擇的最小單位是病毒群本身。只有透過考慮整個病毒變異雲，科學家才能希望瞭解它們的行為以及它們未來可能做什麼。
博魯奇說：“如果您回顧歷史樣本中的所有病毒，您可以看到它是如何變化以達到今天的狀態的，您也可以用它來預測新的宿主。”
隨著維格努齊繼續致力於識別基克熱的下一個突變，病毒行為固有的不可預測性變得顯而易見。當基克熱到達美洲時，沒有人感到驚訝。令人意外的是到達的病毒株。“每個人都認為到達美洲的將是留尼汪島毒株，”德克薩斯大學醫學分部的病毒學家斯科特·韋弗說。
相反，是亞洲基克熱毒株，該毒株已在低水平迴圈數十年，產生了自身的變異群。留尼汪島毒株繼續傳播，但由於美洲有 100 萬人感染，還有數百萬人面臨風險，因此瞭解基克熱的緊迫性已轉移到亞洲毒株。維格努齊和斯泰普爾福德已重新開始他們的蚊子實驗，以嘗試預測基克熱在 中美洲和南美洲可能做什麼，因為病毒群繼續其不可阻擋的進化。
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