这些科学家通过污水追踪到了一种新的冠状病毒谱系

病毒学家戴夫·奥康纳承认，当他开始向狗主人索要粪便样本时，他已经绝望了。

在2022年的大部分时间里，威斯康星大学麦迪逊分校的奥康纳和他的同事们一直在跟踪导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒的严重突变变体。今年早些时候，他们在威斯康星州10万多人的废水中发现了这种变体。

顺着下水道系统，他们找到了越来越小的流域，将变异的源头缩小到了一个特定的区域。奥康纳和他的团队认为，这种变体可能在狗身上传播，部分原因是他们在相同的废水样本中发现了狗的遗传物质。所以他们去了当地的狗公园。“这是你听到过的最奇怪的要求:‘嘿，我们是科学家。我们能拿走你扔掉的那袋狗屎吗?’”

在研究小组长达数月的追踪变异起源的工作中，这些狗成了另一个转移注意力的东西。

在免疫系统受损的人身上也出现了类似的变异，而且研究人员越来越多地认为，这些人的变异来自慢性感染可能会产生改变大流行的血统，比如欧米克隆。

奥康纳和他的团队认为他们正在寻找携带这种变体的人——没有证据表明这种血统已经传播到其他人身上。研究人员正在与公共卫生官员合作，他们希望通过确定感染至少8个月的人，他们可以治疗感染，减少传播的机会。

没有一个单独的案例有太大的机会酿造下一个超级变种(根据世界卫生组织的变种命名系统，可能被称为Pi)。但追踪一种潜在变异的来源——可能在全球流行的数千种变异中——可能有助于研究人员了解导致Omicron等变异出现的生物学因素。这种感染也可以作为预测病毒未来的水晶球。

“这就是圆周率的由来。我认为人们没有意识到它已经存在了多少。马克·约翰逊(Marc Johnson)说。他是哥伦比亚密苏里大学(University of Missouri)的病毒学家，与奥康纳(O 'Connor)共同领导了威斯康辛州废水谱系的追踪工作，并在其他二十多个地方率先寻找类似的变体。

“这是非常聪明的侦探工作。这是惊人的，”马萨诸塞州波士顿哈佛大学公共卫生学院的流行病学家比尔·哈纳奇补充道。“我们仍然不知道变异从何而来。”

神秘的血统

一个多世纪以来，公共卫生调查人员一直在研究供水管道:1854年，英国流行病学家约翰·斯诺(John Snow)将伦敦霍乱的爆发追溯到一个受污染的水泵。脊髓灰质炎病毒通过粪便传播，全球根除脊髓灰质炎病毒的努力依赖于检测废水中的病毒，因为瘫痪病例非常罕见。

在大流行期间，研究人员发现，下水道采样可以提供COVID-19激增的警告。这些努力大多集中在常规检测中发现的在社区中传播的常见SARS-CoV-2变体上。但在去年3月，约翰逊和他的同事们开始注意到废水中的病毒谱系与包含数百万序列的全球数据库中的任何东西都不匹配。

这些“神秘的血统”充满了SARS-CoV-2用来进入细胞的刺突蛋白的变化，也是免疫系统的目标。这些变化后来出现在免疫逃避变体中，如Omicron。

对SARS-CoV-2的废水测序非常敏感。但当欧米克隆病毒在2021年底涌入约翰逊研究的流域时，它们淹没了他的团队正在寻找的神秘血统。为了克服这一问题，约翰逊开发了一种测序方法来识别罕见的非欧米克隆血统，这些血统可能只感染了一个人。“你真的是在大海捞针，”他说。

有了这种方法，约翰逊呼吁收集废水，最终从美国39个州的600多个污水收集系统服务的地区收集了样本。我写信给我认识的每一个人。我把它发到了推特上:‘我就像，把你的东西发给我。’”

位于麦迪逊的威斯康星州卫生实验室的环境生物地球化学家马丁·谢弗(Martin Shafer)提供了来自该州的样本。奥康纳的实验室是威斯康星州通过废水和空气采样追踪SARS-CoV-2的努力的一部分，他动员了一个团队来调查研究人员现在正在追踪的神秘谱系。这种变体首次出现在2022年1月收集的污水中，与欧米克隆公司有许多相同的突变，但来自SARS-CoV-2家族树的一个完全不同的部分。

“我们不是偶然发现的。我在打猎，”约翰逊说。“我想知道消息的来源是什么。”

下水道侦探

为了缩小变异的起源范围，研究人员追踪了从下水道网络中越来越小的流域收集的样本(见“寻找一个神秘的血统”)。这需要市政工人在威斯康辛州的严冬期间在井盖下放置数十个专门的采样设备。奥康纳说:“人们在本职工作之外的工作都做得很好。

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的微生物学家罗斯·坎特(Rose Kantor)说，这种帮助不能被认为是理所当然的。她正在与约翰逊合作，追踪加州废水中的神秘血统。他们的调查陷入了死胡同，因为他们无法说服官员收集更多的样本。

随着对威斯康星变种的搜索范围缩小，约翰逊一直担心变种会消失。他说:“这不是我们第一次试图追踪血统，但它们往往以失败告终。”“我总是抓狂。”

但在下水道系统的每个岔口，只沿着一条路发现了这种血统。在排除了狗、老鼠和鹿这些都可能携带SARS-CoV-2的动物后，研究人员怀疑他们在寻找一个患有慢性感染的人。今年6月，他们追踪到一家员工不到30人的企业的废水(研究人员希望对该企业的名称和位置保密，以保护社区隐私)。研究人员正在准备一份预印本描述调查过程．

逃税的技能

在参与调查的公共卫生官员权衡下一步行动时，奥康纳和约翰逊的团队继续追踪这种变体并研究它的特性。

自被发现以来，该谱系获得了额外的突变，其遗传多样性也有所增长——这是病毒在一个人体内进化而不扩散的特征。实验表明，在挫败由疫苗接种和先前感染引发的抗体方面，该变体甚至比Omicron谱系BA.1更好。

但目前尚不清楚这种变异会对携带病毒的人以外的其他人造成什么风险。“据我们所知，这些血统中的绝大多数都没有传播，”奥康纳说。

威斯康星州健康与安全部门的传染病流行病学家瑞安·韦斯特加德(Ryan Westergaard)说，在询问该公司及其员工是否会接受SARS-CoV-2检测之前，他的团队思考了很久。“我们不想引起恐慌，说我们的社区里潜伏着一种危险的新变种，”他说。但他想帮助感染者得到治疗，并降低任何传播的风险。

该公司约60%的员工主动进行了鼻拭子检测，但似乎没有人携带这种神秘的血统。韦斯特加德的团队现在正在社区SARS-CoV-2测试和威斯康星州其他下水道的废水中寻找这种变体。研究人员还将回顾之前收集的临床标本，看看是否已经出现了这种变体。“我们保持警惕，”韦斯特加德说。

直觉

约翰逊、奥康纳和他们的团队并没有放弃搜寻。他们继续检测这种变体，而且数量是约翰逊在废水中从未见过的。在这些水平上，结合员工的鼻拭子阴性结果，约翰逊怀疑受感染者是否主要在他们的肠道中而不是他们的呼吸道中窝藏病毒。该团队希望分析自愿员工的粪便样本，并正在为这样的研究寻求伦理批准。

加州大学圣地亚哥分校的计算生物学家Smruthi Karthikeyan在对大学建筑进行废水测序时注意到了类似的情况。一些人在呼吸道感染和症状消失后的几周内会释放大量的SARS-CoV-2遗传物质。

加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的进化生物学家克里斯蒂安·安德森说，慢性肠道感染是引起人们担忧的SARS-CoV-2变种(如Omicron)的强有力的来源。肠道中的免疫细胞比身体其他部位的免疫细胞对微生物的耐受性更强，这可能会让病毒在一些(但不是太大的)免疫压力下进化。安德森说，在大多数情况下，这种肠道感染永远不会传染给他人，除非身体发生了变化，病毒又回到了呼吸道。他假设:“这样就有可能出现像欧米克隆这样的突发事件。”

安德森补充说，因此，确定威斯康星州的人可能有助于研究人员了解像Omicron这样的变种是如何出现的。他说:“这向你展示了变种的引擎。”“他们所做的调查工作令人难以置信。”

奥康纳说，即使研究人员无法确定一个携带威斯康星州血统的人，研究这样的神秘血统可能有助于预测SARS-CoV-2的未来。大多数突出的突变都在刺突蛋白中，但他的团队已经确定了另一种病毒分子的关键区域的变化，称为膜蛋白外膜域，这可能对免疫也很重要(见“隐式比较”)。

奥康纳说，神秘的世系可能不会成为“马桶的神谕”，但如果它们可以帮助预测SARS-CoV-2进化的大趋势，这可能有助于研究人员测试疫苗和治疗方法，以对抗潜在的未来变种——这些变种可能已经在世界上某个地方的下水道里漂浮。奥康纳说:“如果我们在威斯康辛州用明亮的灯光观察到这种情况，你就必须知道这种情况到处都在发生。”