Кем и когда были открыты вирусы животных
Обновлено: 23.04.2024
История открытия вирусов может быть прослежена по мере того, как ученые всего мира описывали свои концепции и публиковали экспериментальные результаты.
История открытия вирусов подтверждает, что буквально до конца 19 века еще не существовало стандартных методов обнаружения патогенных (болезнетворных) организмов, таких как бактерии и простейшие в предполагаемых “ядовитых материалах”.
Открытие вирусов
В Санкт-Петербурге в 1892 году российский микробиолог Дмитрий Ивановский продемонстрировал, что болезнь табачной мозаики вызывается агентом, размер которого значительно меньше размера бактерий: вирус табачной мозаики (бактериальные фильтры имеют размер примерно 0,2 мкм, однако большинство вирусов меньше 0,1 мкм).
Вскоре после этого голландский микробиолог Мартинус Виллем Бейеринк (1851-1931) пришел к тому же выводу: он впервые разработал понятие самовоспроизводящегося “жидкого” агента.
Открытие вируса животных ящура немецкими бактериологами Фридрихом Леффлером и Паулем Фрошем в 1898 году было первым доказательством существования животного патогенного биологического вируса.
Однако ретроспективно можно задокументировать, что еще 3000 лет назад – без знания природы патогенов применялись методы, которые сегодня можно было бы назвать прививками против вирусных заболеваний.
История метода активной иммунизации
В Древнем Китае, Индии и Египте часто случались разрушительные эпидемии оспы. Фараон Рамзес V – как показывает его посмертная маска – скорее всего, умер от заражения вирусом оспы.
Как было замечено в то время, люди, пережившие болезнь, были избавлены от нее в дальнейших эпидемиях; следовательно, у них должна была быть выработана какая – то защита, вызванная первой болезнью — они были иммунны. Этот защитный статус также мог быть вызван искусственно.
Когда высушенные струпья оспы передавались здоровым людям, они были, по крайней мере, частично защищены от оспы – мера, которую мы теперь называем вариоляцией (медицинский термин для оспы — “вариола”). Это так называемый метод активной иммунизации.
Исторические описания показывают, что в то время оспа использовалась в качестве биологического оружия. В XVIII веке в Англии и Германии было открыто, что преодоление молочницы дает защиту от настоящей оспы. Английский врач Эдвард Дженнер (1749-1823), должно быть, знал об этих наблюдениях в 1796 году, когда он передал свиноподобный и коровий материал в качестве своего рода вакцины сначала своему первенцу сыну, а затем молодому пастуху. Оба мальчика остались здоровыми после воздействия патогенного вируса оспы человека путем прививки оспенного гноя. На самом деле этот первый преднамеренный “вирусологический эксперимент”вызвал защитный эффект. Знания об этой вакцинации очень быстро распространились из Англии на европейский континент и в США.
Именно Эдварду Дженнеру принадлежит разработка первой в мире вакцины против натуральной оспы путем прививки неопасного для человека вируса коровьей оспы.
В бывшем германском рейхе первый закон о вакцинации был принят в 1871 году. Однако прошло еще около 100 лет, прежде чем человек Али Маов Маалин был естественным образом заражен оспой (в Сомали) в последний раз (в 1977 году), после того как ВОЗ провела всемирную программу вакцинации. Сегодня болезнь считается искорененной.
История открытия вакцины против бешенства
На аналогичной основе, то есть без точного знания природы возбудителя, Луи Пастер разработал вакцину против бешенства в Париже в 1885 году. Он передал болезнь внутримозговым путем кроликам в 1882 году видя возбудителя скорее в неизвестных и невидимых микробах. Как он продемонстрировал, патоген потерял свои болезнетворные свойства в результате непрерывной передачи инфекции этим животным.
Таким образом, именно Луи Пастер создал основу для вакцинного вируса, который, в отличие от возбудителя дикого типа, характеризовался постоянным инкубационным периодом.
Натертый и высушенный спинной мозг привитых кроликов больше не был инфекционным, но вызывал (первоначально у собак) защиту против бешенства. Впервые, в 1885 году, Пастер привил этот материал 9-летнему мальчику. Мальчик был укушен бешеной собакой 2 дня назад и в конце концов выжил благодаря защитному эффекту, вызванному вакциной.
История технических достижений в области вирусологии
Из-за своих небольших размеров вирусы долгое время оставались для людей неизведанными.
Разрешение светового микроскопа, который был построен немецким физиком-оптиком Эрнстом Аббе около 1900 года, было недостаточно высоким для визуализации этих патогенов. Это стало возможным только с помощью электронного микроскопа, который был разработан немцем Эрнстом Руской в 1940 году. С его помощью впервые была решена структура вируса табачной мозаики.
Даже получение доказательств существования таких мельчайших агентов, которые не культивируются на искусственных средах, было невозможно до появления бактериоустойчивых ультрафильтров. Американский бактериолог Уолтер Рид описал вирус желтой лихорадки как первый патогенный вирус человека в 1900 году, а затем миксомы кролика и бешенства в 1903 году.
Вирус птичьего лейкоза был открыт в 1908 году, полиовирус в 1909 году, а вирус саркомы Руса в 1911 году, который назван в честь открывшего его ученого и представляет собой первый вирус, связанный с индукцией раковых заболеваний (в данном случае в соединительной ткани домашней птицы).
Изучение природы бактериофагов дало вирусологии важные открытия и импульсы как в методологическом, так и в концептуальном плане.
Многие из стадий, характеризующих вирусную инфекцию, были впервые обнаружены в экспериментах с бактериальными вирусами: такие процессы включают прикрепление и проникновение, репродуктивно-циклическую зависимую регуляцию экспрессии генов, которая приводит к раннему и позднему синтезу белков, и лизогенез, который связан с существованием профагов.
После культивирования вируса, ответственного за эмбриональные куриные яйца в 1933 году была заложена основа для разработки тестов для обнаружения вирусов.
Еще одним важным шагом в истории открытия вирусов стала разработка первых ультрацентрифуг. Они сделали возможным осаждение и концентрацию мельчайших вирусных частиц.
Однако прорыв в выяснении патогенетического механизма вирусов гриппа был возможен только благодаря развитию молекулярно-биологических методов, позволивших исследовать генетический материал возбудителя, существующий в виде одноцепочечной РНК.
Его секвенирование выявило генетические причины ранее не изученной способности вирусов гриппа периодически изменять свои антигенные свойства.
Эксперименты на животных
Эксперименты на животных позволили получить важные сведения о патогенезе вирусных заболеваний.
Изучение вирусов и их свойств было особенно сложным, поскольку они, в отличие от бактерий, не могут размножаться в искусственных средах.
Однако можно было установить, что некоторые из патогенов, выделенных от больных людей, передавались животным, в которых они могли размножаться.
Например, вирус простого герпеса человека был передан из волдырей человеческой кожи в роговицу кроликов. Это исследовал немецкий химик Вильгельм Гретер в Марбурге в 1911 году.
Необычайная восприимчивость хорьков позволила британскому вирусологу Кристоферу Эндрюсу впервые выделить вирус гриппа А из жидкости больного человека в 1933 году. Эксперименты на животных также дали много информации о патогенезе вирусных инфекций с другой точки зрения.
Американский вирусолог Ричард Э. Шоуп открыл кроличий папилломавирус в 1935 году и, таким образом, первый опухолевый вирус, который, как было доказано позже, содержит ДНК – геном. Он подозревал, что такой вирус может существовать в скрытой форме в виде провируса в организме. Кроме того, ему приписывают открытие, что рак кожи может развиться из доброкачественных папиллом кожи.
Таким образом, злокачественные опухоли развиваются в два или более этапа – сегодня это общепринятое понятие. Далее Шоуп заметил, что заболеваемость раком различна у разных пород кроликов, и поэтому генетические особенности хозяина также влияют на развитие рака.
В рамках экспериментов на животных немецкий ветеринар Эрих Трауб сделал важное наблюдение при изучении вируса лимфоцитарного хориоменингита в Принстоне в 1935 году. Когда беременные мыши были заражены вирусом, вирус передавался эмбрионам. Матери животных заболевали менингитом и вырабатывали защитные антитела при дальнейшем течении болезни. Напротив, новорожденные мыши оставались здоровыми, но выделяли большое количество вируса в течение всей жизни, не развивая специфического иммунного ответа против патогена.
Это открытие было первым примером иммунной толерантности, индуцированной вирусом.
Система выращивания клеток
Системы выращивания или культивирования клеток являются незаменимой основой для вирусных исследований.
Трудоемкие эксперименты изначально были единственным способом доказать существование вирусов, поэтому искали более простые методы.
Одним из способов было наблюдение так называемых тел включения в инфицированных вирусом тканях, которые вскоре были оценены как признак возбудителя. Как мы теперь знаем, тела включения представляют собой скопление вирусных белков и частиц в цитоплазме или ядре.
Первые инклюзивные (включенные) тела были обнаружены российским ученым Дмитрием Ивановским в 1892 году.
В то же время другие ученые обнаружили подобные отложения в клетках зараженных вирусом оспы. Ученые обнаруживали также тела включения в клетки бешеных животных.
Таким образом, существовали, по крайней мере, простые методы обнаружения красителей при некоторых вирусных заболеваниях. Однако методы культивирования вирусов стали доступны позже. В 1930-х годах было установлено, что эмбрионированные куриные яйца пригодны для размножения некоторых видов вирусов.
Дальнейшее развитие вирусного культивирования обеспечило метод заключающийся в добавлении к тканевым культурам индикаторных клеток, которые указывают на вирусную репликацию путем возникновения дегенеративных изменений в клетках.
История изучения вирусов
Пандемия испанского гриппа
Между 1918 и 1920 годами возникла пандемия вирусного заболевания Испанский грипп – испанка.
Пандемия испанского гриппа
Назван по названию страны публично объявившей пандемию. Особенность испанки была в гиперреакции иммунной системы человека. Именно иммунная система вызывала воспаление тканей.
Испанский грипп унёс более 20 миллионов жизней, то есть больше, чем в Первую Мировую войну.
Исследование полиомиелита
Полиомелит — вирусная болезнь приводящая к параличу вызывается пикорнавирусами.
Исследование полиомиелита позволило получить принципиально новые сведения. Ретроспективно исследование представляет собой фактический переход к молекулярно-биологическим анализам вирусных инфекций. Сильный рост заболеваемости полиомиелитом и числа смертей привел к созданию в некоторых странах фонда борьбы с полиомиелитом.
Полиовирусы полиемелита из семейства пикорновирусов культивировались в эмбриональных клетках человека из фиксированных фрагментов ткани почек, и, таким образом, клеточные изменения были легко идентифицируемы. Этот диагностически ценный эффект подтолкнул развитие вирусологии вперед. Это стало основой для теста на бляшки, разработанного американцем Ренато Дульбекко в 1952 году, который впервые позволил количественно определить количество инфекционных частиц в клеточной культуре.
Способность культивировать полиемелит в контролируемых условиях была положена в основу разработки двух полиовакцин: инактивированной вакцины и живой вакцины с ослабленными полиовирусами. Обе вакцины все еще используются сегодня.
Позднее вакцины против кори, краснухи и эпидемического паротита также производились по этому принципу. Используя метод клеточной культуры, можно было культивировать даже вирус желтой лихорадки, вирус оспы и вирус бешенства.
Герпес
Самое большое распространение получил вирус герпеса.
Существование вируса простого герпеса было подтверждено в инфицированных корневых нервных узлах (ганглиях) человека в 1971 году, тогда как его прямое обнаружение в то время было невозможно. До этого момента обычно предполагалось, что в ходе вирусных инфекций возбудитель будет полностью выведен из организма полученными антителами. После того как герпес был обнаружен путем совместного культивирования, было признано, что существует ряд инфекций которые независимо от симптомов заболевания выделяются либо периодически (например, вирус простого герпеса), либо постоянно (например, вирус Эпштейна – Барра).
Первичное определение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) также была осуществлено путем совместного культивирования материала лимфатических узлов у больного СПИДом.
Таким образом, история открытия вирусов имеет длинный путь, и еще далеко не закрыта философия вируса.
Вирусы (от лат. вирус — яд) – представляют собой мельчайшие неклеточные формы жизни. Вирусы имеют размеры 2-5*10 -7 см, что значительно меньше, чем бактериальная клетка (от 0,2 до 10 мкм). Рассмотреть вирусы возможно только с помощью электронного микроскопа, увеличивающий в 100 тысяч и более раз. Вирусы относятся к отдельному царству.
Вирусология – наука изучающая вирусы. Становление вирусологии как науки начинается с 30-х годов 20 века.
История открытия вирусов
Впервые вирус табачной мозаики (рис.1) был открыт русским ученым Д.И.Ивановским (1892г.) (рис.2).
Рис.1 Листья табака (слева) пораженные вирусом табачной мозаики (справа)
Рис.2 Д.И.Ивановский — первооткрыватель вирусов
Первый вирус животных (вирус ящура) был описан в 1897 году Лёффером и Фрошем. В 1901 году вирус желтой лихорадки был открыт англичанами У. Ридом и Д. Кэрроллом.
В 1917 году Ф.д’Эррелем был открыт бактериофаг – вирус, поражающий бактерии.
Удивительно то, что первая вакцина от оспы была предложена за 100 лет до открытия вирусов, в 1796 году английским врачом Э.Дженнером. Второй по открытию стала – антирабическая вакцина, представленная французским ученым микробиологом Л.Пастером в 1885 году.
Строение и формы вирусов
Вирусы — неклеточные частицы, состоящие из белковой оболочки (капсид) и собственного генетического материала в виде нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) (рис.3).
Рис.3 Строение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ)
Вирусы могут обладать разнообразными формами: шаровидные, овальные, палочковидные, нитевидные, цилиндры, тетраэдры, октаэдры и др.(рис.4).
Рис.4 Разнообразные формы и виды вирусов
Более сложные вирусы имеют в своем составе дополнительные белковые или липопротеидные оболочки. Вирусы гриппа и герпеса кроме белковой оболочки могут содержать и углеводы.
| ДНК-содержащие вирусы | РНК-содержащие вирусы |
|---|---|
| оспы | бешенства |
| герпеса | кори |
| бактериофаги Т-группы | СПИДа и лейкоза |
| гепатита В | гепатита А |
| паповавирусы | гриппа |
| аденовирусы | полимиелита |
| цитомегаловирус | ОРЗ |
| Эпштейн-Бара | желтой лихорадки |
| и др. | краснухи и др. |
Геном вирусов может быть представлен однонитчатыми и двунитчатыми молекулами ДНК (вирус оспы человека, овец, свиней, аденовирус человека) и РНК (матрица для вирусов насекомых и других животных). Вирусы с однонитчатой молекулой РНК (энцефалит, краснуха, корь, бешенство, грипп и др.).
Вне живой клетки вирус не питается, не передвигается, не растет, не размножается и не проявляет других свойств живого.
Размножение вирусов
Вирусы способны размножаться только внутри живой клетки. Вирус проникает внутрь клетки путем связывания его с особым протеином – рецептором, расположенным на поверхности клетки. На поверхности чувствительной клетки происходит связывание с рецептором, после чего присоединившейся участок погружается в цитоплазму и превращается в вакуоль. Стенки вакуоли, состоящей из цитоплазматической мембраны способны сливаться с другими вакуолями или даже ядром. В результате вирус достигает любой участок клетки.
Основные этапы заражения вирусом:
Данный процесс до конца не изучен, и возможно именно он мог бы решить вопрос возникновения онкологических заболеваний.
Быстрая способность адаптироваться и видоизменяться, подстраиваясь к геному клетки, делает некоторые вирусные заболевания практически неизлечимыми. Таким образом, вирусы представляют паразитизм на генетическом уровне (рис.5).
Рис.5 Размножение вируса гриппа
Бактериофаги
Рис.6 Строение бактериофага
Бактериофаг состоит из головки, хвостика и нескольких хвостовых отростков (белковых нитей). Наружная часть головки покрыта белковой оболочкой. Во внутренней части головки расположена ДНК, а внутри хвоста проходит центральный канал. Из-за толстых клеточных стенок бактерий белок-рецептор бактериофага не может погрузиться в цитоплазму.
Удерживаясь на поверхности клетки за счет шипов, расположенных под базальной мембраной, бактериофаг пронзает стенку бактерии и вводит внутрь полый стержень. По этому стержню в цитоплазму поступает ДНК (или РНК). Геном бактериофага проникает внутрь клетки, а оболочка остается снаружи. Спустя время, сформировавшиеся зрелые фаговые частицы разрушают бактерию изнутри и выходят наружу (рис.7).
Рис.7 Размножение бактериофага
Обладая способностью полного уничтожения бактериальной клетки, бактериофаги могут быть использованы для лечения разнообразных бактериальных заболеваний (холеры, дизентерии, брюшного тифа и др.).
Отмечено, что отделение от вирусной частицы нуклеиновой кислоты приводит к потере инфекционной способности к репродукции. Это говорит о том, что нуклеиновая кислота играет важную роль в размножении вируса.
При благоприятных условиях вирус очень быстро размножается. Так, за 30 минут в одной клетке появляются сотни новых вирусов.
Вирусы могут продолжительно сохраняться в почве, воде и другим средах. Некоторые представители устойчивы к высоким температурам (свыше +100С) и высушиванию.
Виды вирусных заболеваний
В настоящее время известно около 400 видов вирусов растений и около 500 видов вирусов животных.Вирусы растений вызывают поражение листьев и других органов, вызывая появление разноцветных или бесцветных пятен и полосок. Вирусы вызывают замедление роста растений, изменяет их форму и снижает урожайность.
Наиболее опасными для человека являются вирусы гепатита – А, В, С. Вирус способен сильно повреждать ткани печени, вызвав необратимые последствия.
ВИЧ.СПИД
Более опасную для человечества форму представляет вирус иммунодефицита человека или сокращенно ВИЧ (HIV). Попав в кровь, ВИЧ, поражает иммунную систему человека, приводя к развитию болезни под названием СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита человека). РНК-содержащий ВИЧ атакует белые кровяные клетки – лимфоциты, отвечающие за иммунитет, делая человека уязвимым для других болезней.
Внедренный в лимфоциты РНК вирус начинает синтезировать фермент – ревертазу. Этот фермент служит матрицей для последующего синтеза молекулы ДНК. Синтезированная вирусная ДНК встраивается в хромосому лимфоцита. После чего вирус долгое время может не проявлять себя. Это может длиться от 1 до 2 лет, а иногда и более. Спустя время вирусная ДНК начинает проявлять себя, синтезируя сотни тысяч вирусов, что в итоге приводит к разрушению лимфоцита.
Вероятность заражения ВИЧ увеличивается при прямом контакте с кровью больного человека. Распространенные пути передачи вируса; незащищенный половой контакт с инфицированным человеком, инъекции шприцом, переливание крови. ВИЧ не передается воздушно-капельным путем, через укусы насекомых, посуду, при рукопожатиях и пользовании общественными местами (туалеты, бассейны, бани и т.п.).
В настоящее время вакцины против СПИДа нет, но существуют медицинские препараты на основе азотимидина и ингибиторов протеаз, способные подавить синтез вирусной ДНК. Это облегчает течение болезни и значительно удлиняет жизнь человека.
Симптомами СПИДа является температура, постоянный озноб, легкая простужаемость, резкое похудение.
Чтобы предупредить СПИД необходимо соблюдать следующие правила;
— избегать прямого контакта с кровью неизвестного человека (зараженными так же могут быть лимфа, сперма, влагалищные выделения, грудное молоко и др.);
— избегать случайные половые связи;
— использовать презервативы;
— пользоваться одноразовыми шприцами;
— пользоваться личными бритвенными приборами, при этом не разрешать пользоваться своими.
Природным очагом СПИДа по мнению ученых считается Центральная Африка, а носителем вируса являются зеленые мартышки.
Грипп
Всем известный вирус гриппа не менее опасный, наряду с корью, гепатитом и полиомиелитом.
В отличие от бактерий, которых ещё в 1676 году описал основатель научной микроскопии Антони ван Левенгук, вирусы в световой микроскоп видны не были. А электронный создали лишь спустя 40 лет после открытия вирусов. Как же их вообще удалось заметить? Благодаря табаку, точнее, его болезни, которая была страшной проблемой для фермеров.
В современный световой микроскоп крупные вирусы увидеть можно. Они выглядят так же, как выглядели бактерии для Левенгука. Просто точки. Но бактерии при этом активно двигаются.
Некротические пятна на листьях табака резко снижали урожай, а главное, из таких листьев не получалось сделать сигары. Производители с подобным положением дел мириться не могли и спонсировали исследования патологии. В 1886 году немецкий агроном Адольф Майер доказал, что "мозаичное заболевание табака", как он окрестил эту напасть, легко передаётся с соком растения, а значит, тут замешан инфекционный агент. Поскольку прогревание при 80 ºС обеззараживало исходный биоматериал (Пастер, напомним, уже изобрёл пастеризацию), Майер решил, что возбудитель болезни - бактерия.
._4_t_310x206.jpg)
Российского ботаника Дмитрия Ивановского болезнь табака волновала ничуть не в меньшей степени. Полагая, что этот недуг вызывают бактерии, Ивановский планировал осадить их на специальном фильтре, поры которого меньше этих организмов. Такая процедура позволяла полностью удалить из раствора все известные патогены. Но экстракт заражённых листьев сохранял инфекционные свойства и после фильтрации!
Этот парадокс, описанный Ивановским в работе 1892 года, стал отправной точкой в развитии вирусологии. При этом сам учёный думал, что сквозь его фильтр прошли мельчайшие бактерии либо выделяемые ими токсины, то есть вписывал своё открытие в рамки существующего знания. Впрочем, это частности. Приоритет Ивановского в открытии вирусов не оспаривается.
Спустя 6 лет голландский микробиолог Мартин Бейеринк, не зная поначалу о работе Ивановского, провёл серию аналогичных экспериментов. То, что патоген проходит сквозь бактериальный фильтр и не может, подобно бактериям, размножаться в питательной среде, привело Бейеринка к выводу, что перед ним новый, неизвестный науке инфекционный агент. Учёный окрестил его "вирусом" (от лат. virus - яд), повторно введя это слово в научный оборот: прежде оно использовалось для обозначения всего агрессивного и токсичного.
Вирус табачной мозаики стал нашим проводником в абсолютно новую область биологии - вирусологию. И в знак признания особых заслуг перед человечеством был первым среди вирусов исследован на электронном микроскопе.
Вирус табачной мозаики до сих пор любим вирусологами: на его основе легко делать вакцины. Одну из них - от COVID-19 - сейчас разрабатывают на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова.
Что мы знаем сегодня
Вирусы присутствуют во всех земных экосистемах и поражают все типы организмов: от животных до бактерий с археями. При этом учёные до сих пор спорят, являются ли вирусы живыми существами. Серьёзные аргументы есть и за, и против.
Конечно да! У вирусов есть геном, они эволюционируют и способны размножаться, создавая собственные копии путём самосборки.
Решительно нет! У них неклеточное строение, а именно этот признак считается фундаментальным свойством живых организмов. А ещё у них нет собственного обмена веществ - для синтеза молекул, как и для размножения, им необходима клетка-хозяин.
Впрочем, большинство учёных склонны рассматривать этот спор как чисто схоластический.
2. Как устроены вирусы
Самая суть: Вирус - это генетическая инструкция в белковом контейнере. Расшифровать строение вирусов удалось, превращая их в кристаллы.
История открытия
К началу 1930-х годов всё ещё оставалось непонятным, что такое вирус и как он устроен. И по-прежнему не было микроскопа, в который его можно было бы разглядеть. В числе прочих высказывалась гипотеза, что вирус - это белок. А структуру белков в то время изучали, преобразуя их в кристаллы. Если бы вирус удалось кристаллизовать, то его строение можно было бы изучать методами, разработанными для исследования кристаллов.
В 1932 году Уэнделл Мередит Стэнли отжал сок из тонны больных листьев табака и воздействовал на него разными реагентами. После трёх лет опытов он получил белок, которого не было в здоровых листьях. Стэнли растворил его в воде и поставил в холодильник. Наутро вместо раствора он обнаружил игольчатые кристаллы с шелковистым блеском. Стэнли растворил их в воде и натёр полученным раствором здоровые листья табака. Через некоторое время они заболели. Эти опыты открыли учёным путь к получению и изучению чистых препаратов вируса, а самому Стэнли принесли Нобелевскую премию.
Структуру вируса расшифровала Розалинд Франклин - та самая "леди ДНК", которая впервые получила чёткую рентгенограмму структуры ДНК и умерла за четыре года до вручения Нобелевки за это невероятно важное открытие. Рассматривая вирус табачной мозаики в рентгеновских лучах, Розалинд поняла, что он представляет собой белковый контейнер, к внутренним стенкам которого прикреплена спираль РНК.
Что мы знаем сегодня
Постепенно накопились данные, позволившие разработать классификации вирусов. Выяснилось, что вирусы различаются по типу молекул ДНК или РНК, на которых записана их генетическая программа. Другое различие - по форме белкового контейнера, который называется капсид. Бывают спиральные, продолговатые, почти шарообразные капсиды и капсиды сложной комплексной формы. Многие капсиды имеют ось симметрии пятого порядка, при вращении вокруг которой пять раз совпадают со своим первоначальным положением (как у морской звезды).
У некоторых вирусов капсид заключён в дополнительную оболочку, суперкапсид, которая состоит из слоя липидов и специфичных вирусных белков. Последние часто формируют выросты-шипы - ту самую "корону" коронавируса. Вирусы с такой оболочкой называют "одетыми", а без неё - "голыми".
Необходимость кристаллизовать вирусы для их изучения отпала лишь недавно с появлением атомных силовых микроскопов и лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы.
3. Кто такие фаги
Самая суть: Большая часть вирусов - "пожиратели бактерий", хоть никого и не жрут. Фаг может убить бактерию, а может сделать из неё зомби. Для нас это хорошо.
История открытия
В конце XIX века британский бактериолог Эрнест Ханкин, сражавшийся с холерой в Индии, изучал воды рек Ганг и Джамна, которые местные жители считали целебными. Ханкин, энтузиаст кипячения воды и теории Пастера о том, что болезни вызываются микроорганизмами, а не миазмами (вредоносными испарениями - так думали врачи ещё в середине XIX века), обнаружил, что суеверные индусы правы: какой-то неопознанный объект непонятным образом обеззараживает воду священных рек без всякого кипячения.
Лишь спустя двадцать лет неопознанному объекту придумали название: Феликс Д'Эрелль из Института Пастера предложил называть этих существ "бактериофагами", в переводе с греческого - "пожирателями бактерий". Он пришёл к выводу, что бактериофаги - вирусы, паразитирующие на бактериях.
Сейчас их нередко зовут просто фагами. Эти вирусы прикрепляются к стенкам бактерий и впрыскивают в них свой генетический материал. Попав внутрь, генетическая программа вируса запускает производство новых вирусов. В итоге одни ферменты бактерии создают копии вирусного генома, другие - строят по вшитым в него инструкциям белки, третьи - собирают мириады клонов. Порабощённая фагом бактерия превращается в фабрику по созданию его клонов, которые могут выходить наружу вместе с метаболитами или "взрывать" бактериальную клетку. Так или иначе полчища клонов освобождаются и отправляются заражать всё новые бактерии.
Для бактерии встреча с фагами не всегда заканчивается печально: бактериофаги бывают вирулентными и умеренными. Если клетке не повезёт и она повстречает вирулентного фага, то погибнет (у биологов этот процесс называется лизисом). Фаг использует такую клетку как ясли для своего потомства. Умеренные фаги обычно более дружелюбны. Они делают из бактерии зомби: она переходит в особую форму - профаг, когда вирус интегрируется в геном клетки и сосуществует с ней. Это сожительство может стать симбиозом, в котором бактерия приобретёт новые качества и эволюционирует.
Способность вирусов уничтожать вредоносные бактерии привлекла к ним внимание учёных. Впервые фагов, этих цепных собак биологов, натравили на стафилококк ещё в 1921 году. Их активно изучали в Советском Союзе. Основоположник этого направления грузинский микробиолог Георгий Элиава был учеником Феликса Д'Эрелля. По его инициативе в 30-е годы был создан Институт исследования бактериофагов в Грузии, а позднее фаготерапия в СССР получила одобрение на самом высоком уровне. Были разработаны стрептококковый, сальмонеллёзный, синегнойный, протейный и другие фаги.
Западные учёные отнеслись к фагам с меньшим энтузиазмом. Фаги очень чувствительные и в неподходящих условиях внешней среды теряют супергеройские способности. А тут как раз открыли и успешно применили первый антибиотик, и о фагах надолго позабыли.
Что мы знаем сегодня
В 2005 году биологи из Университета Сан-Диего показали, что вирусы - самые распространённые биологические объекты на планете, и больше всего среди них именно бактериофагов.
Всего на данный момент описано более 6 тысяч видов вирусов, но учёные предполагают, что их миллионы.
4. Как создали первую вакцину
Самая суть: Вакцинация - одно из величайших изобретений человечества, благодаря которому многие смертельные заболевания остались в истории. Но почему слово "вакцина" происходит от слова "корова"?
История открытия
Главное событие в истории вакцинации произошло в конце XVIII века, когда английский врач Эдвард Дженнер использовал коровью оспу для предотвращения оспы натуральной - одного из самых страшных заболеваний в истории, смертность от которого тогда достигала полутора миллионов человек в год.
Коровья оспа передавалась дояркам, протекала легко и оставляла на руках маленькие шрамы. Сельские жители хорошо знали, что переболевшие коровьей оспой не болеют человеческой, и эта закономерность стала отправной точкой для исследований Дженнера.
Предотвращение распространения Variola vera - натуральной оспы - главное событие в истории вакцинации Фото: iStock
Хотя идея была не нова: ещё в Х веке врачи придумали вариоляцию - прививку оспенного гноя от заболевшего к здоровому. На Востоке вдыхали растёртые в порошок корочки, образующиеся на местах пузырьков при оспе. Из Китая и Индии эта практика расходилась по миру вместе с путешественниками и торговцами. А в Европу XVIII века вариоляция пришла из Османской империи: её привезла леди Мэри Уортли-Монтегю - писательница, путешественница и жена британского посла. Так что самому Дженнеру оспу привили ещё в детстве. Вариоляция действительно снижала смертность в целом, но была небезопасна для конкретного человека: в 2% случаев она приводила к смерти и иногда сама вызывала эпидемии.
Но вернёмся к коровам. Предположив близкое родство вирусов коровьей и натуральной оспы, Дженнер решился на публичный эксперимент. 14 мая 1796 года он привил коровью оспу здоровому восьмилетнему мальчику, внеся экстракт из пузырьков в ранки на руках. Мальчик переболел лёгкой формой оспы, а введённый через месяц вирус настоящей оспы на него не подействовал. Дженнер повторил попытку заражения через 5 месяцев и через 5 лет, но результат оставался тем же: прививка коровьей оспы защищала мальчика от оспы натуральной.
Дженнеру потребовались годы, чтобы убедить коллег-врачей в необходимости вакцинации, - и эпидемии оспы в Европе наконец были остановлены. Идеи Дженнера развивал великий Луи Пастер: он ввёл термин "вакцина" (от латинского vacca - корова), описал научную сторону вакцинации, создал вакцины против сибирской язвы, бешенства, куриной холеры и убедил мир, что прививки необходимы для предотвращения многих болезней.
Что мы знаем сегодня
В 1980 году Всемирная организация здравоохранения объявила о полном устранении натуральной оспы. Это первое заболевание, которое победили с помощью массовой вакцинации.
После прививки в организме вырабатывается такой же иммунитет, как после перенесённого заболевания. При этом даже не нужно встречаться с живым патогеном. Обычно в вакцинах содержится его часть, например поверхностный белок, или сам вирус, но ослабленный или убитый. Такой агент, его называют антигеном, учит иммунную систему распознавать его как врага и уничтожать в будущем. В следующий раз, когда в организм попадёт настоящий вирус или бактерия, специфичные антитела - иммунные белки - "подсветят" его для клеток иммунной системы, которые тут же мобилизуются и уничтожат патоген.
Сейчас существует более сотни вакцин, защищающих от 40 вирусных и бактериальных заболеваний. Иммунизация спасает миллионы жизней, поэтому наши дети не умирают от столбняка, поцарапавшись на улице.
Современные вакцины, прошедшие все стадии клинических испытаний, безопасны - они могут вызвать сильную иммунную реакцию у некоторых людей, но никак не тяжёлую форму болезни с летальным исходом или тем более эпидемию.
5. Как вирусы поселились в нашей ДНК
Самая суть: В геноме человека затаились древние вирусы. Они составляют более 8% нашей ДНК. И мы им многим обязаны.
История открытия
В 1960-х годах учёные поняли, что некоторые вирусы могут вызывать рак. Одним из них был вирус птичьего лейкоза, угрожавший всему птицеводству. Вирусологи выяснили, что он относится к группе так называемых ретровирусов, внедряющих свой генетический материал в ДНК клетки-носителя. Такая ДНК будет производить новые копии вируса, но если вирус по ошибке встроился не в то место ДНК, клетка может стать раковой и начать делиться. Вирус птичьего лейкоза оказался очень странным ретровирусом. Учёные находили его белки в крови совершенно здоровых куриц.
Робин Вайс, вирусолог из Университета Вашингтона, первым понял, что вирус мог интегрироваться в ДНК курицы, стать её неотъемлемой и уже неопасной частью. Вайс и его коллеги обнаружили этот вирус в ДНК многих пород кур. Отправившись в джунгли Малайзии, они изловили банкивскую джунглевую курицу, ближайшую дикую родственницу домашней, - она несла в ДНК тот же вирус! Когда-то давно иммунная система куры-предка сумела подавить вирус, и, обезвреженный, он стал передаваться по наследству. Учёные назвали такие вирусы эндогенными, то есть производимыми самим организмом.
Вскоре выяснилось, что эндогенных ретровирусов полно в геномах всех групп позвоночных. А в 1980 году их обнаружили и у человека.
Что мы знаем сегодня
Согласно данным исследователей из Мичиганского университета, на долю эндогенных ретровирусов приходится более 8% нашего генома. При этом обнаружены далеко не все вирусные последовательности, которые осели в геноме человека. Искать их сложно: они встречаются у одного и отсутствуют у другого.
Некоторые эндогенные вирусы остаются опасными, но большинство уже неспособно запустить вирусную программу и захватить мир. До недавнего времени их считали "генетическим мусором". Но оказалось, что порой интеграция вирусов в ДНК ведёт к появлению полезных генетических программ. Например, многие участки ДНК, которые регулируют активность генов, участвующих во врождённом иммунитете, являются ретровирусами. А недавно российские учёные обнаружили у человека эндогенный ретровирус, регулирующий работу мозга и отсутствующий у других приматов, - получается, мы обязаны вирусам какими-то важнейшими своими особенностями! Правда, этот же вирус, возможно, привёл к возникновению шизофрении.
Друзья или враги нам эндогенные ретровирусы, сказать сложно, потому что нет уже деления на нас и них, - мы соединились в одно существо.
Задолго до коронавирусной пандемии ученые уже предупреждали человечество о том, что ситуация в азиатском регионе рискует выйти из-под контроля
Предполагается, что общее число вирусных частиц на порядок выше количества всех клеток всех организмов на Земле. Вирусы окружают нас повсюду в живой природе, и каждая клетка каждого живого организма несет в себе следы прошлых встреч с ними.
Из письменных источников нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного недуга по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек.
С тех пор европейский континент регулярно подвергался опустошающим нашествиям эпидемий, в первую очередь чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на далекие расстояния людьми, опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.
В поле зрения ученых вирусы попали в начале XVIII века. Тогда европейские врачи заинтересовались феноменом непроизвольной вакцинации, когда зараженные в легкой форме коровьей оспой люди были не подвержены оспе натуральной, то есть человеческой. Прорыв в этом вопросе произошел в 1796 году, когда английский врач и ученый Эдвард Дженнер произвел публично первую прививку от оспы.
В 1892 году был описан первый вирус. Звание первооткрывателя вирусов по праву принадлежит российскому микробиологу Дмитрию Иосифовичу Ивановскому, который в конце XIX века сумел описать вирус, вызывавший мозаичную болезнь растения табака. И вслед за этим открытием началось лавинообразное изучение вирусов, которые не перестают нас удивлять и преподносить неожиданные сюрпризы.
Как устроен вирус?
Латинское слово virus означает яд. Полноценная вирусная частица, вирион, состоит из белковой оболочки, капсида, и внутреннего содержимого: нескольких специальных белков и нуклеиновой кислоты, кодирующей вирусные гены.
С помощью интерферонов клетка, пораженная вирусом, передает сигнал тревоги соседним клеткам, чтобы те были готовы к встрече с вредоносными агентами. Этот механизм предполагает гибель всех клеток, столкнувшихся с вирусом, зато размножение вируса и дальнейшее распространение заразы блокируется.
Полноценная вирусная частица, вирион, состоит из нуклеиновой кислоты и нескольких специальных белков, заключенных в белковую оболочку, капсид. Все вирусы принято делить на две большие группы по виду содержащейся в них нуклеиновой кислоты: ДНК- и РНК-вирусы. С практической точки зрения наибольший интерес для всех нас представляет группа РНК-содержащих вирусов, так как именно к ним относятся самые опасные на сегодняшний день инфекционные возбудители: вирус гриппа, коронавирусы и самый сложный из всех вирусов, ВИЧ.
Почти все из известных науке вирусов имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляются. Этот механизм предопределяет, какие именно клетки пострадают от вируса. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам, а вирус гепатита — к клеткам печени. Вирус иммунодефицита избирает своей мишенью целый ряд клеток. В первую очередь это клетки иммунной системы (Т-лимфоциты-хелперы, макрофаги). А также эозинофилы и тимоциты (подвиды лейкоцитов), дендритные клетки, астроциты (вид вспомогательных клеток нервной ткани) и другие клетки, несущие на своей мембране специфический рецептор СD4 и CXCR4-корецептор. Почти все они имеют самое непосредственное отношение к иммунитету.
Как работает иммунитет?
Одновременно в организме реализуется еще один молекулярный защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки, интерфероны, способные выходить из клетки и взаимодействовать с соседними клетками, снижая уровень белкового синтеза и препятствуя размножению вируса. Поражается как сам вирус, так и клетка-хозяин, зато распространение заразы блокируется.
Попутно интерфероны активируют ряд механизмов иммунной системы. Интерферон-альфа (ИФ-α) стимулирует синтез лейкоцитов, участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производит клетки соединительной ткани, фибробласты, и обладает тем же действием, что и ИФ-α, но с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) усиливает выработку Т-клеток, Т-хелперов и С08+Т-лимфоцитов, что придает ему свойство иммуномодулятора.
Король вирусов
Каждый из нас встречал людей крепкого здоровья, устойчивых перед всевозможными сезонными вирусами вроде ОРВИ или гриппа. Даже вирус оспы не убивал всех без исключения заразившихся, даже лихорадка Эбола, наводящая сегодня ужас на жителей Африки, оставляет в живых четверть заразившихся.
И лишь по отношению к одной-единственной инфекции иммунная система оказывается бессильна в 100% случаев заражения. Ни один из 50 млн инфицированных ВИЧ не доживет до глубокой старости. Возможности, даже теоретической, противостоять ВИЧ и СПИДу пока не обнаружено.
В 1991 году клеточные биологи из Мэриленда, изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили феномен антигенного импринтинга. Оказалось, что иммунная система запоминает лишь один, самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.
Мы построили им рай
Пожалуй, главное оружие вирусов — это способность чрезвычайно быстро меняться. В частности, у ВИЧ это свойство обусловлено тем, что фермент обратная транскриптаза делает ошибки при копировании вируса в организме. Как будто полиция ищет преступника по фотороботу и отпечаткам, а он каждый день меняет свой облик. У других вирусов есть свои механизмы изменчивости. Благодаря им, к примеру, вирус Эбола за двадцать лет с момента открытия изменился на целую четверть.
Читайте также: