Вирусы существуют параллельно всему живому на планете. Вся их жизнь строится вокруг попадания в какой-либо организм, ведь только там они могут развернуться на полную катушку. В чем особенность вирусов? Что именно отличает их от других организмов? Почему лекарства и вакцины против них создаются с таким трудом? На все эти вопросы отвечает блог Talon.by.
Что такое вирусы?
Вирусы – это инфекционные единицы диаметром от 16 нм (цирковирусы) до 300 нм (поксвирусы), иногда и более.
Это не бактерии, не грибы и не простейшие, а отдельный вариант микроорганизмов, хотя слово «организмы» для них не совсем применимо, поскольку строение вирусов крайне простое, если не сказать больше – примитивное.
Но именно эта простота делает их почти неуязвимыми. Повредить компьютер намного проще, чем железный лом, – точно так же и вирусы с трудом поддаются разрушительному воздействию извне, поскольку у них практически нечему ломаться.
Из-за небольших размеров вирусы не задерживаются фильтрами, защищающими от бактерий, хотя есть гигантские вирусы, которые можно рассмотреть под обычным световым микроскопом и которые попадают в бактериальный фильтр. Однако их открыто довольно мало, к тому же они не поражают людей, животных или растения.
Вирион – то же самое, что и вирус?
Вирионом называют зрелую, полностью собранную и готовую к дальнейшей экспансии вирусную частицу.
Некоторые ученые ставят знак равенства между вирионами и вирусами, мол, это одно и то же.
Другие же склонны считать вирусами только частицы, находящиеся внутри живых клеток. А вирионы – это не более чем способ размножения вирусов, что-то вроде сперматозоидов у человека. В общем, у ученых пока нет единого мнения по этому вопросу.
Как устроен вирус?
Типичный вирус состоит из белкового ядра и жировой оболочки (или нескольких оболочек). В ядре вируса присутствует один из двух вариантов упаковки генетического материала: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота).
Обычно ДНК состоит из двух спиралевидных цепочек, а РНК – из одной цепочки. Но у некоторых вирусов геном бывает линейным, кольцевидным и даже сегментированным.
Геном вируса может быть окружен белком – капсидом, а может располагаться свободно. При наличии капсида геном может связываться с ним, образуя нуклеокапсид, который защищает генетический материал от разрушения. Капсиды и нуклеокапсиды бывают различной формы: чаще всего это многогранник, но могут быть шары и палочки.
У некоторых вирусов поверх нуклеокапсида есть дополнительная жировая оболочка – суперкапсид. Она создана из материалов клетки-хозяина и обычно имеет шаровидную форму.
Откуда вообще взялись вирусы?
Поскольку для существования вирусов обязательно нужны клетки, считается, что в доклеточные времена вирусов не было вообще – по крайней мере, в том виде, в котором они есть сейчас. Согласно научным теориям, вирусы могли произойти от «древних клеток», существовавших до того, как последний универсальный общий предок превратился в современные клетки и все живое на Земле. Что это за предок такой?
Последний универсальный общий предок (Last Universal Common Ancestor, LUCA) олицетворяет какое-то существо, от которого произошло все живое на нашей планете в том виде, в котором мы его знаем. LUCA является предшественником животных, растений, грибов, людей и даже бактерий – в буквальном смысле всего. До LUCA были неклеточные организмы, после него – одно- и многоклеточные.
Совершенно неясно, как выглядел LUCA. Универсальный предок является своего рода научной абстракцией для объяснения происхождения мира. Однако в существовании LUCA ученые абсолютно уверены, хотя в реальности, возможно, это были несколько (микро)организмов.
Таким образом, вирусы могли произойти от «древних клеток» универсального предка. Но до конца неясно, каким образом они это сделали. На этот счет есть много других теорий, проверить которые не представляется возможным.
Как размножаются вирусы?
Вирусы не размножаются путем деления, как бактерии, грибы или клетки человека, животных или растений, – для генерации потомства им обязательно нужно попасть в живую клетку. Только здесь они развивают свою активность и производят компоненты, из которых и состоят.
Поскольку вирусы – это внутриклеточные паразиты, они способны менять и перенаправлять ход клеточных процессов для собственного воспроизводства. Исключением считаются вирофаги – вирусы, которые паразитируют на других, более крупных, вирусах. Однако в конечном счете все они стремятся попасть в клетку.
Без живого хозяина вирусы не могут создать свой генетический материал или добыть энергию. Ключевое слово – живого. Мертвый хозяин бесполезен для вируса, поэтому убивать растение, животное или человека не в его интересах. Однако вирус не всегда может вовремя остановиться, чтобы его хозяин продолжал жить. Поэтому иногда знакомство с вирусом заканчивается для хозяина летальным исходом.
Как вирусы попадают в клетки?
Во внешней среде любой вирус неактивен, он спит в ожидании контакта с будущим хозяином. Когда контакт происходит, вирус пытается прикрепиться к клетке – этот процесс называется адсорбцией. Причем нужна не лишь бы какая клетка, а та, к которой данный вирус проявляет «склонность». Разные вирусы любят разные клетки: папилломавирус обожает кожу, коронавирус COVID-19 питает слабость к тканям легких и так далее.
На поверхности вириона есть специальные белки, помогающие адсорбции. Эти же белки неплохо распознает иммунная система человека и начинает быстро уничтожать непрошеных гостей. Поэтому вирион старается как можно быстрее проникнуть в клетку. Сделать он это может несколькими путями:
- инъекция генетического материала в клетку (ДНК или РНК);
- слияние внутреннего нуклеокапсида или внешнего суперкапсида с клеткой (эндоцитоз);
- создание каналов в клеточной мембране.
Вне зависимости от метода адсорбции капсид проникшего в клетку вируса разрушается, в результате чего высвобождается ДНК (или РНК) вируса. Клетка становится зараженной и начинает вместо своих белков создавать копии вируса.
Зараженных клеток может быть очень много. При некоторых вирусных инфекциях под электронным микроскопом можно увидеть «фабрики вирионов» – крупные клеточные скопления, которые безостановочно производят новые вирусные частицы.
Вирус ВИЧ.
Сборка и выход новых вирионов
Получив новый вирусный геном, остается собрать его в частицы – вирионы. Для этого ДНК или РНК упаковывается в капсид. Затем наступает пора покинуть ставшую ненужной клетку, и сделать это можно несколькими путями.
Самый простой – разорвать клетку и выбросить мириады вирусных частиц в кровь. Но можно поступить более элегантно: прикрепиться изнутри к клеточной мембране, создать в ней выпячивание и постепенно оторваться от клетки. При этом вирион забирает часть мембраны себе, получая дополнительную наружную оболочку – суперкапсид.
Некоторые вирусы после проникновения в клетку переходят в состояние провирусов. При этом их генетический материал также встраивается в ДНК клетки, но не заставляет ее «клепать» новые вирионы. Вместо этого вирус спокойно присутствует в клетке, живет и никак себя не проявляет. Метаболизм зараженной клетки не меняется до тех пор, пока какое-либо внешнее или внутреннее воздействие (например, переохлаждение или ослабление иммунитета) не активирует провирус, – и вот тогда начинается его размножение по описанной выше схеме.
Почему так сложно создать эффективные противовирусные лекарства?
28 сентября 1928 года английский врач и ученый Александр Флеминг представил миру первый антибиотик – пенициллин. Этот препарат уничтожал бактерии путем разрушения их внешних стенок. С вирусами такое решение «не прокатывает», поскольку их генетический материал может спокойно существовать без всяких стенок. Более того, далеко не у всех вирусов стенки (капсид или нуклеокапсид) есть в принципе.
Идея разрушения патогенных бактерий строится на том, что после взлома их мембран и (или) вмешательства в метаболизм микробы умирают. Вирусы же крайне просты: у них нет метаболизма и органелл, они не нуждаются в дыхании, пище и воде. По сути, они представляют собой концентрированный геном, который просто существует и размножается при попадании в живые клетки. Поэтому и убивать вирусы очень сложно.
Основная задача любого лечения описана в известной врачебной заповеди «не навреди». Однако не навредить живому организму во время борьбы с вирусом весьма затруднительно, поскольку вирусы встраиваются в метаболизм клеток. И если направить лекарство на уничтожение вируса, есть вероятность целиком уничтожить больного человека, животное или растение.
Поэтому ученым приходится «изворачиваться» в поиске настолько специфичных участков на поверхности вирусов, чтобы лекарство действовало только на них и не затрагивало живые клетки. При этом вирусы крайне изменчивы, и если вчера на их поверхности был один набор антигенов, то сегодня уже другой. Все это сильно усложняет создание лекарств и вакцин против вирусных инфекций.
Почему вирусы такие изменчивые?
Бактерии, грибы, растения, животные и даже люди могут приспосабливаться к изменчивой среде обитания. Но по способности к адаптации вирусы переплюнули их всех.
Во время кодирования генома особые ферменты РНК-полимеразы примерно в 10 тысяч раз чаще совершают ошибки и не умеют их исправлять. А если в одной клетке несколько вирусов, они легко обмениваются генетической информацией друг с другом. Все это приводит к значительному изменению нуклеотидных последовательностей в геноме вирусов и быстрому появлению новых вариантов. Данное свойство особенно ярко выражено у РНК-вирусов, тогда как ДНК является чуть более стабильным вариантом генома.
Исследования вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) в последние 10 лет показали, что за 1 год в среднем меняется 1% его нуклеотидной последовательности. Интересно, что ген оболочки вируса ВИЧ, который кодирует связывающиеся с клетками человека белки, даже у одного больного меняется на 0,6–1% в год. А последовательности оболочки у разных пациентов с разными подвидами ВИЧ отличаются друг от друга в среднем на 25–35%. Столь широкое разнообразие генома создает большие проблемы для разработки универсальной вакцины против ВИЧ и любых других вирусов в принципе.
Какие перспективы?
Большим прорывом в разработке противовирусных лекарств и вакцин стало открытие Коротких палиндромных повторов, регулярно расположенных группами, – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR). С помощью CRISPR бактерии и археи (пред-бактерии) защищаются от вирусов.
Они запоминают части геномов вирусов, которые их атаковали, и вставляют эти части между своими повторяющимися участками ДНК. Так они создают собственную базу данных врагов, которую затем передают своим потомкам. И когда тот же вирус пытается заразить бактерию или архею снова, они используют специальные белки, называемые Cas, для сравнения его генома с участками, хранящимися в их CRISPR. При выявлении совпадений бактерии и археи разрезают геном вируса и уничтожают его.
Для ученых сегодня CRISPR является инструментом редактирования геномов, который позволяет изменять последовательности ДНК и модифицировать функцию генов для различных целей. CRISPR позволяет добавлять, удалять и менять определенные участки ДНК в клетках животных, растений или микроорганизмов, включая вирусы.
Короткие палиндромные повторы могут помочь в лечении наследственных болезней, создании новых лекарств, разработке биотехнологий и многих других сферах. CRISPR являются очень мощным и перспективным методом генной инженерии, который открывает много возможностей для современной науки и медицины.
Как не заразиться вирусами?
В борьбе с вирусными инфекциями важнейшую роль играет профилактика.
- Самый простой и эффективный способ – не контактировать с источником вирусов. Однако этого не всегда можно избежать. К тому же вирусы не видны невооруженным глазом, поэтому об их существовании в обычной жизни приходиться лишь догадываться.
- При легочных болезнях рекомендуется использовать защитные маски, закрывающие рот и нос. Причем носить их следует как заболевшим, так и контактирующим с ними людям. Ношение масок не защищает на 100%, но уменьшает количество вирусных частиц, попадающих на слизистые оболочки. А чем меньше их будет, тем ниже вероятность заражения.
- Качественное мытье рук с мылом защищает от всех групп вирусов, поскольку через инфицированные руки вирус попадает в пищу, на предметы обихода и в человека.
- Использование презервативов мужчинами является важным фактором профилактики ВИЧ. Эффективность презерватива оценивается примерно в 80% при гетеросексуальном контакте и в 70% – при гомосексуальном. Существенно снижает передачу ВИЧ среди потребителей инъекционных наркотиков предоставление чистого инструментария (шприцев).
- Вирус бешенства способен передаваться от животных человеку. Он поражает нервные клетки и является смертельным для людей, если вовремя не сделать профилактические прививки. Вирус передается через слюну и другие биологические жидкости животных и людей, поэтому при подозрении на тесный контакт с заболевшим немедленно обратитесь к врачу для оказания профилактической помощи.
Фото: Talon.by.