Biodiversity from a global health approach through molecular biology and massive sequencing strategies. Particular cases of Perkinsus olseni and SARS CoV2

Abstract

The marine ecosystem contains a great diversity of prokaryotic, eukaryotic and virus organisms that are still completely unknown, and varies depending on each environmental compartment. At the ecological level, each organism fulfils a series of fundamental functions that result in the interaction of some organisms with others, thus obtaining the balance of an ecosystem. However, several factors such as changes in environmental parameters (temperature, salinity, etc.) or the introduction of species in new geographical areas, mostly caused by human activity, can favour the proliferation of pathogenic organisms that cause, in very severe cases, massive mortalities. This can lead to the ecological alteration of the composition and balance of the ecosystem, economical losses in the aquaculture sector. This, added to the lack of knowledge about the biology of certain pathogens, makes the total eradication of diseases very complex, and that the fight against diseases is based on the application of preventive monitoring measures, in order to detect pathogens and predict the possible occurrence of diseases. The doctoral thesis will address the study of the biodiversity of a coastal ecosystem (Ría de Vigo) that is significantly affected by the effect of humans. For this reason, we will also carry out a study of the diversity of bacteria found in wastewater and that are discharged into the marine ecosystem after wastewater treatment. The health of people is therefore related to the health of animals and the environment in a broad concept of “global health”. In this study, methodologies based on molecular biology and next-generation massive sequencing (NGS) will be applied. In addition to the study of the biodiversity of the coastal marine ecosystem and the wastewater discharged into it, with special emphasis on potential pathogens, we will focus our study on the distribution of two pathogens: Perkinsus olseni (pathogen in bivalve aquaculture) and SARS-CoV- 2 (virus which has caused the COVID-19 pandemic). The pathogen Perkinsus olseni is a protozoan that affects a wide variety of bivalve molluscs throughout the world and generates severe economic losses in the aquaculture sector. Due to its great impact, this parasite has been included in the list of mandatory notifiable organisms by the World Organization for Animal Health (OIE, 2019), so it is necessary to develop and validate new diagnostic methodologies that allow an early and effective detection of the disease. The SARS-CoV2 virus is a type 2 coronavirus that causes severe acute respiratory syndrome and whose worldwide expansion has caused the current COVID-19 pandemic which has been officially declared in January 2020 by the World Health Organization (WHO). In addition to respiratory symptoms, the virus can also cause gastrointestinal symptoms and be released in the feces (Cheung et al., 2020, Randazzo et al., 2020). Currently, several studies have detected SARs-CoV2 RNA in wastewater by quantitative PCR (La Rosa et al., 2020; Randazzo et al., 2020) and have suggested that detection of the virus in wastewater by PCR could be a non-invasive method for an early detection of the disease, allowing authorities to establish accurate coordination strategies (Daughton, 2020).

O ecosistema mariño alberga unha gran diversidade de organismos procariotas, eucariotas e virus que aínda hoxe descoñécense completamente e varía segundo cada compartimento ambiental. A nivel ecolóxico, cada organismo cumpre unha serie de funcións fundamentais que resultan na interacción duns organismos con outros, obtendo así o equilibrio dun ecosistema. Non obstante, diversos factores como os cambios nos parámetros ambientais (temperatura, salinidade, etc.) ou a introdución de especies en novas áreas xeográficas, principalmente provocadas pola actividade humana, poden favorecer a proliferación de organismos patóxenos que causan, en casos moi graves, mortalidade enorme dunha especie. Isto pode levar a unha alteración ecolóxica da composición e equilibrio do ecosistema e a un nivel económico grandes perdas no sector acuícola. Isto, sumado á falta de coñecemento sobre a bioloxía de certos axentes patóxenos, fai que a erradicación total das enfermidades sexa moi complexa e que a loita contra as enfermidades baséese na aplicación de medidas de seguimento preventivo, co fin de detectar axentes patóxenos e predicir a posible aparición de enfermidades. A tese doutoral abordará o estudo da biodiversidade dun ecosistema costeiro (Ría de Vigo) significativamente afectado polo efecto dos seres humanos. Por este motivo, tamén realizaráse un estudo da diversidade de bacterias que atópanse nas augas residuais e que vértense ao ecosistema mariño despois da purificación. A saúde das persoas está, polo tanto, relacionada coa saúde dos animais e do medio ambiente nun concepto amplo de "saúde global". Neste traballo, aplicaranse metodoloxías baseadas na bioloxía molecular e a secuenciación masiva de nova xeración (NGS). Ademais de estudar a biodiversidade do ecosistema mariño costeiro e as augas residuais vertidas nel con especial énfase nos posibles patóxenos, centraremos o noso estudo na distribución de dous patóxenos: Perkinsus olseni (patóxeno na acuicultura bivalva) e SARS-CoV- 2 (virus causante da pandemia COVID19). O patóxeno Perkinsus olseni é un protozoo que afecta a unha gran variedade de moluscos bivalvos en todo o mundo e que xera grandes perdas económicas no sector acuícola. Debido ao seu gran impacto, este parasito foi incluído na lista de organismos de declaración obrigatoria pola Organización Mundial para a Sanidade Animal (OIE, 2019), polo que é necesario desenvolver e validar novas metodoloxías de diagnóstico que permitan a detección precoz e efectiva da enfermidade. O virus SARS-CoV2 é un coronavirus tipo 2 que causa síndrome respiratoria aguda grave e cuxa expansión mundial provocou a actual pandemia COVID-19 declarada oficialmente en xaneiro de 2020 pola Organización Mundial da Saúde (OMS). Ademais dos síntomas respiratorios, o virus tamén pode causar síntomas gastrointestinais e liberarse a través das feces (Cheung et al., 2020, Randazzo et al., 2020). Actualmente, varios estudos detectaron ARN de Cov2 SAR en augas residuais mediante PCR cuantitativa (La Rosa et al., 2020; Randazzo et al., 2020) e suxeriron que a detección do virus nas augas residuais mediante PCR pode ser un método non invasivo para unha detección precoz da enfermidade e así axudar ás autoridades a establecer estratexias de coordinación (Daughton, 2020).

El ecosistema marino alberga una gran diversidad de organismos procariotas, eucariotas y virus que todavía hoy se desconocen en su totalidad, y varía en función de cada compartimento ambiental. A nivel ecológico, cada organismo cumple con una serie de funciones fundamentales que resultan en la interacción de unos organismos con otros, obteniendo así el equilibrio de un ecosistema. Sin embargo, diversos factores como cambios en los parámetros ambientales (temperatura, salinidad etc) o la introducción de especies en nuevas zonas geográficas, en su mayoría propiciados por la actividad humana, pueden favorecer la proliferación de organismos patógenos que provocan en casos muy severos mortalidades masivas de una especie. Esto puede producir a nivel ecológico la alteración de la composición y el equilibrio del ecosistema, y a nivel económico grandes pérdidas en el sector acuícola. Esto sumado a la falta de conocimiento sobre la biología de determinados patógenos hace que sea muy compleja la erradicación total de las enfermedades, y que la lucha contra las patologías se base en la aplicación de medidas preventivas de monitoreo, con la finalidad de detectar patógenos y predecir la posible aparición de enfermedades. La tesis doctoral abordará el estudio de la biodiversidad de un ecosistema costero (Ría de Vigo) que se ve afectado de forma importante por el efecto del ser humano. Por ello, realizaremos además un estudio de la diversidad de bacterias que se encuentran en las aguas residuales y que se vierten al ecosistema marino después de una depuración. Se relaciona, por tanto, la salud de las personas con la salud de los animales y el medio ambiente en un concepto amplio de “salud global”. En este trabajo, se aplicarán metodologías basadas en biología molecular y en la secuenciación masiva de última generación (NGS). Además de estudiar la biodiversidad del ecosistema marino costero y de las aguas residuales que se vierten en él haciendo especial hincapié en potenciales patógenos, centraremos nuestro estudio en la distribución de dos patógenos: Perkinsus olseni (patógeno en acuicultura de bivalvos) y SARS-CoV-2 (virus causante de la pandemia COVID19). El patógeno Perkinsus olseni, es un protozoo que afecta a una gran variedad de moluscos bivalvos en todo el mundo y que genera grandes pérdidas económicas en el sector acuícola. Debido a su gran impacto, este parásito se ha incluido en el listado de organismos de declaración obligatoria por la Organización mundial de salud animal (OIE, 2019), por lo que es necesario desarrollar y validad nuevas metodologías diagnósticas que permitan una detección temprana y eficaz de la enfermedad. El virus SARS-CoV2 es un coronavirus de tipo 2 causante del síndrome respiratorio agudo severo y cuya expansión mundial provocó la actual pandemia de COVID-19 oficialmente declarada en enero del 2020 por la Organización Mundial de la Salud (OMS). Además de las sintomatologías respiratorias, el virus también puede provocar síntomas gastrointestinales y liberarse por las heces (Cheung et al., 2020, Randazzo et al., 2020). Se ha comprobado que la detección de SARs Cov2 RNA en aguas residuales mediante PCR cuantitativa (La Rosa et al., 2020; Randazzo et al., 2020) puede ser un método no invasivo para una detección temprana de la enfermedad y así ayudar a las autoridades a establecer estrategias de coordinación (Daughton, 2020).