Kas Viirused On Elus?

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-07-27 17:19

Kuigi viirused vaidlustavad meie kontseptsiooni, mida tähendab "elamine", on nad eluvõrgu olulised liikmed.

Toimetuse märkus: see lugu avaldati algselt Scientific Americani 2004. aasta detsembri väljaandes.

1950. aastate klassikalise telekomöödia "Mesinädalad" osas seletab Brooklyni bussijuht Ralph Kramden valjult oma naisele Alice'ile: "Teate, et ma tean, kui hõlpsalt te viiruse saate." Pool sajandit tagasi olid isegi tavalistel inimestel, nagu Kramdenid, mingid teadmised viirustest kui mikroskoopilistest haiguste toojatest. Ometi on peaaegu kindel, et nad ei teadnud täpselt, mis see viirus on. Nad ei olnud ega ole üksi.

Umbes 100 aasta jooksul on teadusringkond korduvalt oma kollektiivset meelt muutnud selle üle, mis viirused on. Kõigepealt peetakse viiruseid esmalt mürkideks, seejärel bioloogilisteks kemikaalideks ja viirusteks, mis asuvad elavas ja elamata elus hallil alal: nad ei saa iseseisvalt paljuneda, kuid võivad seda teha tõeliselt elusates rakkudes ja võivad mõjutada ka nende võõrustajate käitumine sügavalt. Viiruste liigitamisel elutuks liigitamisel bioloogiateaduse kaasaegsel ajastul on olnud tahtmatu tagajärg: see on viinud enamiku teadlaste evolutsiooni uurimisel viirustest tähelepanuta. Lõpuks on teadlased siiski hakanud viiruseid hindama kui eluloo põhitegijaid.

Tingimusteni jõudmine

On lihtne mõista, miks viirused on tuviauguni raskendatud. Tundub, et need varieeruvad iga objektiivi jaoks, mida nende uurimiseks kasutatakse. Esmane huvi viiruste vastu tulenes nende seosest haigustega - sõna "viirus" juured on ladinakeelses mõistes "mürk". 19. sajandi lõpus mõistsid teadlased, et teatud haigused, sealhulgas marutaud ning suu- ja sõrataud, olid põhjustatud osakestest, mis näisid käituvat nagu bakterid, kuid olid palju väiksemad. Kuna nad olid ise selgelt bioloogilised ja neid võis ilmsete bioloogiliste mõjudega levida ühelt ohvrilt teisele, arvati viiruseid siis kõigist elavatest, geenikandvatest eluvormidest.

Inertsete kemikaalide alandamine toimus pärast 1935. aastat, kui Wendell M. Stanley ja tema kolleegid New Yorgi praeguses Rockefelleri ülikoolis kristalliseerisid esimest korda viiruse - tubaka mosaiikviiruse. Nad nägid, et see koosnes komplekssete biokeemiliste ainete paketist. Kuid sellel puudusid ainevahetusfunktsioonide jaoks vajalikud süsteemid, elu biokeemiline aktiivsus. Stanley jagas selle töö eest 1946. aastal Nobeli preemiat keemias, mitte füsioloogias ega meditsiinis.

Stanley ja teiste edasised uuringud näitasid, et viirus koosneb nukleiinhapetest (DNA või RNA), mis on suletud valgukattesse, mis võivad varjata ka nakkuses osalevaid viirusvalke. Selle kirjelduse järgi tundub viirus pigem keemiakomplekt kui organism. Kuid kui viirus satub rakku (nakkuse järel nimetatakse seda peremeesorganismiks), pole see kaugeltki passiivne. See heidab oma karvkatte, paljastab geenid ja kutsub esile raku enda replikatsioonimasina sissetungija DNA või RNA paljundamiseks ja viirusliku nukleiinhappe juhiste põhjal rohkem viirusvalgu tootmiseks. Vastloodud viirusbitid kogunevad ja voilà tekib rohkem viirusi, mis võivad nakatada ka teisi rakke.

See käitumine on see, mis viis paljud mõtlema viiruste olemasolust keemia ja elu piiril. Poeetiliselt öeldes on viroloogid Marc H. V. van Regenmortel Strasbourgi ülikoolist Prantsusmaal ja Brian W. J. Mahy haiguste tõrje ja ennetamise keskusest hiljuti öelnud, et sõltuvalt peremeesrakkudest viirused viivad "omalaadse laenatud elu". Huvitav on see, et kuigi bioloogid pooldasid pikka aega arvamust, et viirused olid pelgalt kemikaalikarbid, kasutasid nad peremeesrakkudes viiruse aktiivsust ära, et teha kindlaks, kuidas nukleiinhapped valke kodeerivad: tõepoolest, kaasaegne molekulaarbioloogia tugineb viiruste kaudu saadud teabele.

Molekulaarbioloogid kristalliseerusid enamiku rakkude olulistest komponentidest ja on tänapäeval harjunud mõtlema raku koostisosadele - näiteks ribosoomidele, mitokondritele, membraanidele, DNA-le ja valkudele - kas keemiliste seadmetena või kraamina, mida masin kasutab või toodab. See kokkupuude mitme keeruka keemilise struktuuriga, mis viivad ellu eluprotsesse, on ilmselt põhjus, miks enamik molekulaarbiolooge ei veeda palju aega mõistatades, kas viirused on elus. Nende jaoks võib see harjutus tunduda samaväärne selle üle, kui mõelda selle üle, kas need üksikud alarakulised koostisosad on iseseisvad. See lühinägelik vaade võimaldab neil näha ainult seda, kuidas viirused rakke valivad või haigusi põhjustavad. Peamine küsimus viirusliku panuse kohta maaelu ajalukku, mida ma varsti käsitlen, jääb enamasti vastuseta ja isegi küsimata.

Olla või mitte olla

Pealtnäha lihtne küsimus, kas viirused on elus või mitte, mida minu õpilased sageli küsivad, on ilmselt kõik need aastad määratlenud lihtsa vastuse, sest see tõstatab põhimõttelise küsimuse: mis täpselt määratleb „elu”? Elu täpne teaduslik määratlus on raskesti mõistetav, kuid enamik vaatlejaid nõustuks, et elu sisaldab lisaks paljunemisvõimele ka teatud omadusi. Näiteks on elusolend olekus, mida piiravad sünd ja surm. Arvatakse, et ka elusorganismid vajavad teatud määral biokeemilist autonoomiat, viies läbi ainevahetustegevust, mis toodab organismi ülalpidamiseks vajalikke molekule ja energiat. See autonoomia tase on enamiku määratluste jaoks hädavajalik.

Viirused parasiteerivad aga sisuliselt kõigis elu biomolekulaarsetes aspektides. See tähendab, et nad sõltuvad peremeesrakust toorainete ja energia jaoks, mis on vajalik nukleiinhapete sünteesiks, valkude sünteesiks, töötlemiseks ja transportimiseks ning kõigist muudest biokeemilistest toimingutest, mis võimaldavad viirusel paljuneda ja levida. Seejärel võib järeldada, et kuigi need protsessid satuvad viiruse juhtimise alla, on viirused lihtsalt elusate metaboolsete süsteemide eluta parasiidid. Kuid võib olla olemas spekter selle vahel, mis on kindlasti elus ja mis mitte.

Kalju pole elus. Metaboolselt aktiivne kott, millel puudub geneetiline materjal ja paljunemisvõimalus, pole samuti elus. Bakter on siiski elus. Ehkki see on üks rakk, suudab see toota energiat ja enda ülalpidamiseks vajalikke molekule ning paljuneda. Aga kuidas on seemnega? Seemet ei pruugi pidada elavaks. Ometi on sellel elupotentsiaal ja see võib hävida. Sellega seoses meenutavad viirused seemneid rohkem kui elusrakke. Neil on teatud potentsiaal, mille saab ära nuusutada, kuid autonoomsemat elukorda nad ei saavuta.

Teine võimalus elust mõelda on teatud eluta asjade kogumi esilekerkiv omadus. Nii elu kui ka teadvus on näited tekkivatest keerukatest süsteemidest. Mõlemad vajavad oma seisundite saavutamiseks kriitilist keerukustaset või suhtlemist. Neuron iseenesest või isegi närvide võrgus ei ole teadlik - kogu aju on vaja keerukust. Isegi puutumata inimese aju võib olla bioloogiliselt elus, kuid teadvusvõimetu või „ajusurm“. Samamoodi ei ole rakulised ega viiruslikud üksikud geenid ega valgud iseenesest elus. Enukleeritud rakk on sarnane ajupea olekuga, kuna sellel puudub täielik kriitiline keerukus. Ka viirus ei suuda saavutada kriitilist keerukust. Nii et elu ise on tekkiv, keeruline seisund, kuid see on valmistatud samadest põhilistest, füüsilistest ehitusplokkidest, mis moodustavad viiruse. Sellest vaatenurgast lähtudes võib viirusi, ehkki mitte täielikult elusaid, pidada enamat kui inertseteks aineteks: nad toetuvad elule.

Tegelikult teatasid Prantsuse teadlased oktoobris üritustest, mis illustreerivad uuesti, kui lähedased võivad mõned viirused olla. Didier Raoult ja tema kolleegid Vahemere ülikoolist Marseille'is teatasid, et nad on sekveneerinud teadaoleva suurima viiruse - Mimiviiruse - genoomi, mis avastati 1992. aastal. Umbes sama suur kui väike bakter, viirus nakatab amööbe. Viiruse järjestuse analüüs näitas paljusid geene, mida varem arvati eksisteerivat ainult rakulistes organismides. Mõned neist geenidest on seotud viiruse DNA poolt kodeeritud valkude valmistamisega ja võivad Mimiviiruse jaoks hõlbustada peremeesrakkude replikatsioonisüsteemide koopteerimist. Nagu uurimisrühm märkis oma ajakirjas Science avaldatud aruandes, "viitab Mimiviiruse geneetilise komplemendi tohutu keerukus" väljakujunenud piirile viiruste ja parasiitide rakuliste organismide vahel ".

Mõju evolutsioonile

Arutelud selle üle, kas viiruseid märgistada elavaks, viivad loomulikult teise küsimuseni: kas viiruste kui elusate või elutute staatuse üle mõtisklemine on rohkem kui filosoofiline harjutus, mis on elava ja tulise retoorilise arutelu alus, kuid millel ei ole tegelikke tagajärgi? Minu arvates on see küsimus oluline, sest see, kuidas teadlased seda küsimust käsitlevad, mõjutab nende mõtlemist evolutsioonimehhanismide üle.

Viirustel on oma iidne evolutsiooniline ajalugu, mis pärineb rakuelu algusest. Näiteks on mõned viirust parandavad ensüümid, mis aktiveerivad ja sünteesivad kahjustatud DNA-d, parandavad hapnikuradikaali kahjustusi ja nii edasi - on ainulaadsed teatud viirustele ja on eksisteerinud peaaegu muutumatuna tõenäoliselt miljardeid aastaid.

Sellegipoolest leiab enamik evolutsioonibiolooge, et kuna viirused ei ole elus, ei ole nad evolutsiooni mõistmisel tõsiseltvõetavad. Samuti näevad nad viirusi pärinevatena peremeesgeenidest, mis kuidagi peremehest pääsesid ja omandasid valgukesta. Selles vaates on viirused põgenevad peremeesgeenid, mis on degenereerunud parasiitideks. Nii eluviisist välja jäetud viiruste korral võivad nende olulised panused liikide tekkesse ja elu säilitamisse jääda tunnustamata. (Tõepoolest, 2002. aasta köite The Encyclopedia of Evolution 1, 205 leheküljest on ainult neli pühendatud viirustele.)

Muidugi ei eita evolutsioonibioloogid, et viirustel oli evolutsioonis mingi roll. Kuid vaadates viiruseid kui elutuid, paigutavad need uurijad nad samasse mõjukategooriasse kui näiteks kliimamuutused. Sellised välised mõjud valivad isendite hulgast, kellel on erinevad geneetiliselt kontrollitud omadused; need isikud, kes suudavad nende väljakutsetega silmitsi olles kõige paremini ellu jääda ja areneda, paljunevad kõige edukamalt ja levitavad seega oma geene tulevastele põlvedele.

Kuid viirused vahetavad geneetilist teavet otse elusorganismidega, see tähendab elu enda võrgus. Võimalik üllatus enamikele arstidele ja võib-olla ka enamikule evolutsioonibioloogidele on see, et enamik teadaolevaid viirusi on püsivad ja kahjutud, mitte patogeensed. Nad asuvad elama rakkudes, kus nad võivad jääda pikaks ajaks seisma või kasutada rakkude replikatsiooniaparaadi eeliseid aeglase ja kindla kiirusega paljunemiseks. Need viirused on välja töötanud palju nutikaid viise, kuidas vältida peremeesorganismi immuunsüsteemi avastamist - sisuliselt saab immuunprotsessi kõiki samme muuta või kontrollida erinevate viiruste abil leitud geenidega.

Pealegi võib viiruse genoom (kogu DNA või RNA komplement) koloniseerida püsivalt, lisades peremeesviirustele viirusgeene ja muutudes lõpuks peremeesliigi genoomi kriitiliseks osaks. Seetõttu on viirustel kindlasti kiirem ja otsesem mõju kui välistel jõududel, mis valivad lihtsalt aeglasemalt loodud sisemiste geneetiliste variatsioonide hulgast. Tohutu viiruspopulatsioon koos kiire replikatsiooni ja mutatsioonikiirusega muudab nad maailma juhtivaks geneetilise innovatsiooni allikaks: nad "leiutavad" pidevalt uusi geene. Ja ainulaadsed viirusliku päritoluga geenid võivad rännata, leida tee teistesse organismidesse ja aidata kaasa evolutsioonilistele muutustele.

Rahvusvahelise inimgenoomi sekveneerimise konsortsiumi avaldatud andmed näitavad, et kuskil 113–223 bakterites ja inimese genoomis leiduvat geeni puuduvad hästi uuritud organismides - näiteks pärm Saccharomyces cerevisiae, puuviljakärbes Drosophila melanogaster ja nematood Caenorhabditis elegans - mis asuvad nende kahe evolutsioonilise äärmuse vahel. Mõned teadlased arvasid, et need organismid, mis tekkisid pärast baktereid, kuid enne selgroogseid, kaotasid oma evolutsiooniajaloos mingil hetkel vaidlusalused geenid. Teised väitsid, et need geenid olid bakterite sissetungi kaudu kandunud otse inimese sugupuule.

Minu kolleeg Victor DeFilippis Oregoni Tervise- ja Teadusülikooli vaktsiinide ja geeniteraapia instituudist pakkusime välja kolmanda alternatiivi: viirused võivad pärineda geenidest, seejärel koloniseerida kahte erinevat liini - näiteks baktereid ja selgroogseid. Ilmselt bakterite poolt inimkonnale kingitud geeni võis mõlemale anda viirus.

Tegelikult väidame koos teiste teadlastega Austraalias Sydneys asuva Macquarie ülikooli Philip Belliga ja mina, et rakutuum ise on viirusliku päritoluga. Tuuma tulekut - mis eristab eukarüoote (organismid, mille rakkudes on tõeline tuum), sealhulgas inimesi, prokarüootidest, näiteks bakteritest, ei saa rahuldavalt seletada üksnes prokarüootsete rakkude järkjärgulise kohanemisega, kuni need muutuvad eukarüootideks. Pigem võis tuum areneda püsivast suurest DNA-viirusest, mis tegi püsiva kodu prokarüootides. Mõnevõrra toetavad seda ideed järjestuse andmed, mis näitavad, et bakterites nakatunud T4-nimelise viiruse DNA polümeraasi (DNA kopeeriva ensüümi) geen on tihedalt seotud teiste eukarüootide ja neid nakatavate viiruste DNA polümeraasi geenidega. Patrick Forterre Pariisi-Sudi ülikoolist on analüüsinud ka DNA replikatsiooni eest vastutavaid ensüüme ja jõudnud järeldusele, et selliste ensüümide geenid eukarüootides on tõenäoliselt viirusliku päritoluga.

Alates üherakulistest organismidest kuni inimpopulatsioonideni mõjutavad viirused kogu elu maa peal, määrates sageli kindlaks, mis ellu jääb. Kuid ka viirused ise arenevad. Uued viirused, nagu AIDS-i põhjustav HIV-1, võivad olla ainsad bioloogilised üksused, mille tekkimist teadlased tegelikult tunnistada võivad, pakkudes reaalajas toimiva evolutsiooni näidet.

Viirused loevad elu. Need on pidevalt muutuv piir bioloogia ja biokeemia maailmade vahel. Kui jätkame järjest enamate organismide genoomide lahti harutamist, peaks selle dünaamilise ja iidse geenivaramu panus ilmnema. Nobeli preemia laureaat Salvador Luria mõtiskles 1959. aastal toimunud viiruse mõju kohta evolutsioonile. "Kas me ei või tunda," kirjutas ta, "et viiruses, nende sulandumisel raku genoomiga ja nendest taasühinemisel jälgime üksusi ja protsessi, mis on evolutsiooni käigus loonud edukad geneetilised mustrid, mis on kõigi elusrakkude aluseks? " Sõltumata sellest, kas me peame viirusi elavaks või mitte, on aeg neid teadvustada ja uurida nende loomulikus kontekstis - eluvõrgus.