Домшлак М, Подорож у невидимий світ, Газета «Біологія» № 2
Природознавство так ясно показує, що найтаємничіше, саме чарівне протікає надзвичайно просто, відкрито і без всякої магії.
Як багато мікроскоп нам таємності відкрив.
М.В. Ломоносів
У ХVII столітті у сім'ї голландського ремісника Левенгука народився хлопчик. Його назвали Антонієм. Він став галантерейником, коли виріс. Але все життя Антоній захоплювався шліфуванням збільшувального скла. У цій справі він досяг надзвичайних успіхів. Його двоопуклі лінзи давали чіткі, ясні зображення зі збільшенням до 300 разів. Це набагато більше, ніж можна було отримати за допомогою доступних тоді дволінзових мікроскопів.
За допомогою своїх лінз Левенгук побачив багато, до того невидиме. Він зміг побачити навіть бактерії – ним описані бацили, коки та спірили. Спосіб виготовлення лінз Левенгук тримав у секреті, тому знову побачити бактерії вчені змогли лише у ХІХ ст., коли навчилися робити добрі мікроскопи. Роботи Левенгука відкрили шлях до досліджень нового світу – світу мікроорганізмів.
Майже детективна історія
. Його ім'я в науці про віруси слід розглядати майже в тому ж світлі, як імена Пастера та Коха у бактеріології. Є всі підстави вважати Івановського батьком нової науки - вірусології.
У.Стенлі
У 1887 р. у Криму плантації тютюну вразила невідома хвороба: листя рослин покривалося складним абстрактним малюнком, що розтікалося по листку, немов фарба, що переливається з одного аркуша на інший, від однієї рослини до іншої. Сільське господарство зазнало великих збитків.
На місце події було направлено випускника Санкт-Петербурзького університету Д.І. Іванівський. Молодий вчений вирішив з'ясувати, яка бактерія викликає хворобутютюну. Слід зазначити, що розквіт мікробіології припав на кінець ХІХ століття. Мікроскоп є, методи приготування та фарбування препаратів відомі. Отже, довести мікробну природу поразки буде неважко. Однак завдання виявилося вельми не простим.
Д.І. Іванівський
Перегляд величезної кількості препаратів, приготованих з екстрактів хворих листків, не приніс удачі. Не вдалося отримати відповідь на запитання: чи є мікроби в екстрактах із ураженого листя? У той же час при зараженні здорового листя соком із хворих (ін'єкції в товщу здорового листя) результат був завжди однаковим: здорове листя хворіло через 10–15 днів. Це нагадувало інкубаційний період, властивий будь-якій інфекції, протягом якого мікроби, розмножуючись, проникають усередину організму та викликають захворювання. Але прямого доказу не було.
Лист, уражений вірусом тютюнової мозаїки
Дослідник не здається, ставить досліди на живильних середовищах (їх у цей час вже використовували для культивування мікроорганізмів). Але невдачі переслідують вченого. Невже це глухий кут? Ні! Ще не перевірено метод фільтрації. У Франції Шамберлан, учень і друг знаменитого Пастера, вже виготовив бактеріальний фільтр – «свічку Шамберлана» з порцеляни з вкрай дрібними порами, що не пропускають найдрібніші мікроби, які видно в мікроскоп.
Івановський фільтрує сік із хворих листків через цей фільтр. Ідея проста, профільтрований сік не повинен містити мікробів. І, отже, не зможе заразити здорове листя тютюну. Але на подив дослідника, при нанесенні краплі абсолютно прозорої рідини на здорове листя на них з'являється характерний абстрактний малюнок, тобто. розвивається хвороба. Висновок один – у відфільтрованому соку рослини є невідомі мікроби – збудникимозаїчної хвороби тютюну (ВТМ)
Малюнок Івановського, що зображує вірусні кристали та аморфні вірусні включення у клітинах мозаїчного тютюну
Д.І. Івановський припустив, що ВТМ у тисячу разів менше відомих мікробів, тому й пройшли через бактеріальний фільтр. Так були відкриті нові мікроби-невидимки» -віруси, що фільтруються(1892 р.).
Термін "вірус" (від лат.virus- отрута) запропонував голландець Бейєрінк для позначення інфекційної природи відфільтрованих рослинних рідин. Назва «віруси, що фільтруються» вживали до кінця 30-х - початку 40-х рр.. ХХ сторіччя.
Мікрофотографії різних вірусів
Згодом виявилося, що через дрібні пори (0,5 мкм) бактеріальні фільтри можуть проходити не тільки віруси, але і так звані L-форми бактерій. Отже, фільтрованість, що визначається малими розмірами, не можна вважати властивістю, що відрізняє віруси від інших мікроорганізмів, тому і підстав для збереження визначення «що фільтруються» не стало. Віруси, що фільтруються, стали просто вірусами.
Слідами, що залишаються хитрими невидимками, допитливому досліднику вдалося проникнути в їхню таємницю. Виявилося, що ВТМ може кристалізуватись. У 1935 р. знаменитий вірусолог У.Стенлі підтвердив здатність утворювати кристали і довів можливість існування у кристалічному вигляді як ВТМ, а й інших вірусів. Так термін «кристали Івановського» отримав визнання.
Проте віруси, як і раніше, залишалися невловимими і загадковими, адже вони вкрай малі, їх неможливо побачити у світловому мікроскопі. Ось і вийшло, що віруси стали одними з перших біологічних об'єктів, досліджених за допомогою електронного мікроскопа після його винаходу у 30-х роках. минулого століття.
Імперія вірусів
І задом наперед, зовсім навпаки. Якби це було так, це ще нічого, а якби нічого, воно б так і було, але так як це не так, так воно і не так! Така логіка речей.
Л.Керрол, «Подорож Аліси в Країні чудес»
Відкриття вірусів розпочалося із збудника тютюнової мозаїки. В даний час вірусів відоме безліч, але вони настільки малі, що за словами академіка В.М. Жданова, колекція, зібрана з усіх відомих вірусів, «помістилася б у коробочці розміром із макове зернятко».
Будова вірусу тютюнової мозаїки
Віруси супроводжують все живе від дня народження до смерті. Ці підступні невидимки завдають величезної шкоди. Більше половини всіх захворювань людини (понад 500 різних вірусних інфекцій) на совісті вірусів. Вони вражають тварин, рослини і навіть найближчих своїх «родичів» мікросвітом – бактерії.
"Імперія вірусів - імперія зла". Протягом тисячоліть злодіяння вірусів (віспа, сказ, грип, поліомієліт, рак, енцефаліти, кір, свинка та інші захворювання людини; ящур, лейкози, інфекційна анемія, псевдобошенство та ін. – у тварин; зморшкувата та смугаста мозаїка картоплі томата, мозаїка тютюну та буряків, жовтяниця буряків, лялькування злаків тощо) залишалися безкарними. Перші успіхи у боротьбі з вірусами прийшли відносно недавно.
Властивості вірусів
Віруси – найдрібніші живі організми. Їх розміри менші за половину довжини світлової хвилі, тому їх вимірюють у нанометрах (1 нм = 10-9 м). Розміри вірусів коливаються від 20 до 300 нм. Віруси не здатні рости на штучних живильних середовищах і розвиваються лише у живих клітинах.
Однак згодом з'ясувалося, що окрім вірусів існуютьта бактерії, розміри яких не більше 0,5 мкм. Це рикетсії, названі на честь першовідкривача, американського вченого Х.Т. Ріккетса, (група збудників плямистої лихоманки Скелястих гір, висипного тифу, від якого і помер дослідник), хламідії (збудник трахоми, запалення легень, пахової гранульоми та ін.) та мікоплазми. Мало того, ці мікроорганізми також не ростуть на живильних середовищах. Не здатний рости на штучних живильних середовищах і такий найпростіший, як малярійний плазмодій. Усім їм для існування необхідна жива клітина. У цій фразі пропущено слово «тільки». Чи це випадково?
Сьогодні вчені «запропонували» вірусам розмножуватися не лише в ізольованих клітинах, а й на субклітинних структурах (ізольованих ядрах, мітохондріях, рибосомах). І, уявіть, їм довелося це «за смаком».
Таким чином, два критерії, за якими віруси були раніше виділені серед мікроорганізмів, зазнали фіаско. Постають питання: хто чи що таке віруси і чим вони відрізняються від інших представників мікросвіту?
Віруси влаштовані досить легко. Найпростіші складаються з нуклеїнових кислот та білків. Генетичний апарат вірусів представлений різними формами нуклеїнових кислот, такого розмаїття немає в інших формах життя. Як відомо, у рослин та тварин генетичний апарат складається з двонитчастої ДНК, а РНК, яка виконує роль переносника інформації, завжди однониткова. У вірусів природа нібито випробувала всі можливі варіанти нуклеїнових кислот: одно- і двонитчаста РНК, одно- і двонитчаста ДНК. При цьому ДНК може бути лінійною, або замкненою в кільце.
ДНК чи РНК становлять серцевину вірусу, оточену захисною білковою оболонкою – капсидом. Повністю сформована вірусна частка називається віріоном. Деякі віруси (герпесуабо грипу) мають також ліпопротеїдну оболонку, що утворюється із плазматичної мембрани клітини-господаря. Віруси, на відміну від інших організмів, немає клітинного будови.
Оболонка вірусу часто може бути побудована з ідентичних субодиниць, що повторюються, - капсомерів. З них утворюються структури з високим ступенем симетрії. Ці структури і здатні кристалізуватися, як і виявив Д.І. Іванівський. Цю властивість вірусів використовували вивчення їх будови методами кристалографії, заснованими на застосуванні рентгенівських променів, і електронної мікроскопії.
Тут зробимо вимушену зупинку. І. вирушимо на «ігровий майданчик» вірусів.
Гра без правил
1. Для боротьби з інфекціями люди з давніх-давен використовували різні дезінфікуючі засоби. Порівняно недавно для цих цілей застосовували 3-5%-ний розчин фенолу (карболку), що вбиває всі мікроорганізми, а для знезараження невеликих ран - різні спиртові настоянки.
У вірусів все негаразд! Нуклеїнову кислоту вірусу виділяють за допомогою фенолу та зберігають у спирті!
2. Антибіотики, що вбивають бактерії, нешкідливі для вірусів.
3. Клітину, розчленовану на «прості» складові структури (оболонку, цитоплазму, ядро, ядерця, мітохондрії, рибосоми тощо), неможливо відновити. А віруси можливо! У 1957 р. два німецькі дослідники Гіррер і Шрамм зруйнували вірус тютюнової мозаїки, виділили окремо нуклеїнову кислоту і білок. Потім вони змішали ці частини знову та отримали вихідний життєздатний вірус. Згодом було поставлено досліди щодо гібридизації вірусів. Змішували нуклеїнову кислоту одного вірусу (Аа) з білками іншого вірусу (Вв), і при цьому виходив життєздатний гібрид (Ав). За низкою властивостей він був тотожний вірусу Аа.Однак у першому поколінні давав потомство вірусу Вв. Таким чином, і у вірусів за передачу генетичної інформації є відповідальною нуклеїнова кислота.
Схема 1. Гібридизація вірусів
Виявилося, що такі гібриди утворюються природним шляхом, викликаючи хронічні вірусні хвороби.
Архітектура віріонів
Термін «архітектура віріонів» з'явився на початку 1960-х років.
Віріони - зазвичай симетричні тіла, що складаються, як зазначено вище, з елементів, що повторюються, - капсомерів. В основі будови віріонів, що визначається взаємодіями білків між собою та з нуклеїновими кислотами, лежать закони термодинаміки, що визначають правильну кристалоподібну структуру віріонів. Ці структури утворюються внаслідок самоскладання. Можливі помилки під час цього процесу виправляються у результаті дії законів термодинаміки. Крім того, закони термодинаміки пояснюють і реконструкцію вихідної структури віріона при змішуванні окремих складових частин.
Віріони різних вірусів:а-вірус віспа-вакцини;б-вірус простого герпесу людини,в-вірус гепатиту В,г-аденовірус людини,д-вірус грипу,е-вірус гепатиту А,ж-бактеріофаг лямбда
Віріони побудовані «з найбільшою економією» і мають один з двох типів симетрії:спіральної або кубічної. За спіральним типом симетрії побудовано більшість вірусів, що вражають рослини, людину (віруси грипу та свинки). За кубічним типом симетрії - багато вірусів людини і тварин (аденовіруси, що викликають респіраторні захворювання, вірус поліомієліту, ящуру та ін).
Складні віруси – віруси грипу та парагрипу, рабдовіруси, вірус віспи та бактеріофаги (віруси, що вражають бактерії). Вірус віспи – гігант серед вірусів.
Будова бактеріофага
Еволюційне походження вірусів
Останнім часом прийнято гіпотезу клітинного походження вірусів, згідно з якою вони походять з «швидкої» нуклеїнової кислоти. Іншими словами, нуклеїнова кислота набула здатності до реплікування незалежно від клітини, з якої вона втекла. Однак не можна забувати, що реплікація такої нуклеїнової кислоти відбувається за рахунок використання матеріалу цієї або інших клітин. Отже, віруси не можна розглядати як примітивних попередників клітинних організмів. До цього питання ми повернемося наприкінці шляху на зупинці «Ретровіруси»