У світі вірусів

В наші дні інтерес до вірусів незмірно зріс. Це природно. Адже лоток інформації про віруси, їх властивості та мінливості супроводжує, наприклад, кожну епідемію грипу.

Вірус герпесу під електронним мікроскопом. На знімках досить чітко проглядається будова оболонки, що складається з п'ятигранних (зліва) і шестигранних (праворуч) призм.

Схематичне зображення частинки вірусу герпесі, оболонка якої побудована з 150 шестигранних і 12 п'ятигранних призм.

Віріони грипу. Крізь частково зруйновану зовнішню оболонку видно щільну упаковка трубчастого внутрішнього вмісту - рібонуклепротеіна.

Схематична будова різних фагів. Вгорі - фагочастіца в активному стані, в центрі і внизу - в неактивному (колючий апарат вийшов назовні).

<

>

Збільшується в усьому світі і число прихильників вірусної теорії раку. Дослідження сотень лабораторій свідчать, що саме віруси - найбільш ймовірна причина раку, саркоми, лейкемії.

І. Губарєв, наш спеціальний кореспондент, звернувся до директора Інституту вірусології імені І. Д. Іванівського АМН СРСР, академіку АМН СРСР, професору Віктору Михайловичу Жданову з проханням розповісти про історію та сьогодення Вірусології, про стратегію боротьби З вірусними хворобами.

Вірусологія - наука молода. 80 років минуло з часу відкриття І. Д. Ивановским першого вірусу - збудника мозаїчної хвороби тютюну. Значно пізніше - в 50-х роках - було отримано перше недосконале зображення цього інфекційного агента. Найзначніші дослідження в області вірусології були виконані лише за останні 15-20 років.

З дослідженнями вірусологів сьогодні пов'язано знищення інфекційних захворювань на планеті, боротьба проти раку. Вірусології ж, що вивчає найбільш прості форми існування, належить дати відповідь на багато питань, пов'язаних з походженням життя на Землі.

Отже, що ж ми знаємо і «його ще не знаємо про віруси?

Скільки їх!

Дослідницька практика показує, що «вірусоносії» - практично всі живі істоти, що населяють нашу планету.

Приклад: до недавнього часу ми майже нічого не знали про специфічні мавпячих віруси. У 1960-х роках було розпочато масове виробництво вакцини проти поліомієліту, що виготовляється на мавпячих нирках. Необхідно було забезпечити стерильність цієї вакцини, тобто повністю виключити проникнення в неї будь-яких мікроорганізмів. І ось в ході досліджень, спрямованих на забезпечення такого роду стерильності, був відкритий цілий ряд доти невідомих вірусів, специфічних для мавп.

До теперішнього часу ми маємо відомості приблизно про тисячу видах вірусів. Безумовно, краще за інших нам відомі віруси, що вражають людину. Їх виявлено близько 500 видів. Вельми обширна група вірусів, знайдених у лабораторних тварин - мишей, кроликів, морських свинок.

Порівняно багато ми знаємо про віруси сільськогосподарських тварин і рослин, менше - про віруси, небезпечних для птахів та інших тварин, деревних і чагарникових порід ліс. І вже зовсім маловідомі і числом і звичками віруси папоротей, мохів, лишайників.

Віруси проявляють себе не завжди однаково. В одних випадках вони нападають лише на певні види живих істот. Скажімо, вже виявлені специфічні віруси грипу свиней, кішок, чайок, що вражають тільки цих тварин і безпечні для інших. Часом спеціалізація стає своєрідно витонченою: найдрібніші віруси бактерій - фаги Р-17 вибирають в якості об'єкта лише чоловічі особини тільки одного різновиду кишкової палички. А ось в числі об'єктів онкогенних вірусів - плазуни, птахи, ссавці. Рекорд побивають, мабуть, так звані пулевідной віруси, названі так завдяки їх характерному обрису на мікрофотографії. Зовні віруси цього різновиду дуже схожі. А хвороби вони викликають найрізноманітніші, вражаючи при цьому вельми далекі одна від одної види живих істот. Вони можуть стати причиною сказу - найтяжчого ураження нервової системи ссавців (в тому числі, зрозуміло, і людини) і таких хвороб, як везикулярний стоматит великої рогатої худоби (передається, до речі, через комах), жовтої карликовості картоплі і смугастої штриховатость пшениці. Ці ж віруси провокують важке захворювання у мухи дрозофіли, що приводить комаха до загибелі в результаті підвищення чутливості до вуглекислого газу.

Людина, тварини, комахи, рослини. Хвороби загальні для багатьох видів і вузько-специфічні ... Звідки такий широкий спектр агресивних можливостей? Під впливом яких умов склалися ці властивості? Скільки ще існує в природі вірусів спеціалізованих і універсальних?

На всі ці питання лише належить відповісти.

Гіпотези, гіпотези ...

З вірусами пов'язано чимало загадкового, неясного, а якщо бути точним до кінця - ще не з'ясованого.

Визнаючи існування збудників інфекційних хвороб, за розмірами набагато менших, ніж бактерії, вчені довго не могли прийти до єдиної думки: які вони? Так, відомий голландський мікробіолог М. Бейерінк, наприклад, припускав, що віруси - незрозуміла загадка. Він дав їм назву Cоntagium vivum fluidum - живе рідке заразне початок.

Інші дослідники намагалися зв'язати дані про віруси зі звичними для них уявленнями про живий організм (клітинну будову, розмноження шляхом ділення з подальшим зростанням до розмірів дорослої особини і т. Д.). Не будемо перераховувати тут інші припущення, висловлені на зорі розвитку вірусології. Всі вони - як наївні, так і наділені часткою передбачення - будувалися на одних лише здогадах, наосліп.

Правильна оцінка цих уявлень була дана лише з отриманням зробленого в 1956 році за допомогою електронного мікроскопа фотознімку, портрета вірусу. З'явилася можливість відкинути невірні і просто безглузді припущення, але загадок стало не менше, а більше. Наприклад, у вірусів було відкрито дивовижне розмаїття носіїв спадкової інформації. Все живе на Землі має один-єдиний такий носій - дезоксирибонуклеїнової кислоти - ДНК (двухспіральной ДНК). Причому ДНК зустрічається в організмі будь-якого живої істоти завжди «в парі», разом з іншим речовиною - рибонуклеїнової кислоти - РНК. А у вірусів - носіїв генетичної інформації виявилося цілих шість: чотири форми ДНК і дві - РНК. При цьому віруси задовольняються (завжди!) Тільки однієї нуклеїнової кислотою - ДНК або РНК. Чому?

Багато незрозумілого і в сучасних гіпотезах про походження вірусів. Так, одні дослідники вважають, що віруси - це нащадки давніх доклітинних форм життя, застиглі, що зупинилися в своєму розвитку на певному етапі. Різноманітність генетичного матеріалу, кажуть прихильники гіпотези, відображає хід еволюції цих істот. Природа як би випробувала на віруси всі можливі варіанти спадкового речовини, перш ніж зупинитися остаточно на двухспіральной ДНК.

Віруси - нащадки бактерій або інших одноклітинних організмів, з невідомих причин рушили в своєму розвитку назад, деградували, кажуть інші вчені. Можливо, колись їх пристрій було складніше, але з часом вони багато втратили, і їх нинішній стан, в тому числі і різноманітність носіїв генетичної інформації, лише відображає різні рівні деградації, яких досягли різні їх види.

Нарешті, існує гіпотеза, згідно з якою віруси являють собою складові частини клітин живих істот, з невідомої причини стали автономними системами. Процес виникнення вірусів, відповідно до цієї гіпотези, відноситься не тільки до глибокої давнини, коли вони вже, безумовно, існували, але і до нашого часу. Іншими словами, ця гіпотеза визнає можливість повсюдного, що відбувається безперервно освіти вірусів клітинними елементами. Чи можливо таке, чи здатні складові частини клітин стати автономними, та ще й саморепродуцірующіміся (здатними до відтворення) системами?

- Так, - відповідають прихильники цієї гіпотези.- Багато клітинні структури мають відносну автономією. Наприклад, мітохондрія - органела, яка відає енергетичним балансом клітини, - має власний генетичний апарат, а цикл її поділу незалежний від циклу ділення клітин. Значним ступенем автономії у своєму розпорядженні і гени. Серед складових частин клітини можна знайти структури, подібні з основними типами генетичного апарату вірусів ... Все нові і нові аргументи знаходять дослідники, що підтверджують гіпотезу «оскаженілих генів», як її часом називають не без іронії. І виглядає вона, ця гіпотеза, сьогодні набагато переконливіше, ніж два десятиліття тому, в момент появи.

Логіка і парадокси мікросвіту

Дуже часто, говорячи про віруси, ми вимовляємо звично: «мізерно малі», «крихітні», «дрібні». Це так, безперечно. Вага вірусів вимірюється Дальтон (1 дальтон = 1/16 ваги атома кисню, тобто 1,65 · 10-24 грама), а розміри - Ангстрема, стомільйонний частками сантиметра. Однак, додамо тут же, крихітні - не означає однакові: в область мікровеличин як би зрушене ціле царство вірусів у всьому його різноманітті. І вірус ящура - один з найменших (він за розмірами трохи більший за молекулу) так само відрізняється від вірусу віспи (який настільки великий, що видно навіть в оптичний мікроскоп), як, скажімо, колібрі від страуса або миша від бегемота.

Чи треба говорити, що ці «крайнощі» об'єднує безліч проміжних видів, також надзвичайно різноманітних і за розмірами і за будовою.

Пристрій вірусів вражає своєю чисто математичної завершеністю, логікою симетрії. Візьмемо, наприклад, найбільш просто організований вирион (зрілий вірус) тютюнової мозаїки.

Сотні білкових крісталлообразном структур покладені як тугий спіралі. Серцевина нитки, що утворює спіраль, являє собою своєрідну капсулу, де знаходиться молекула нуклеїнової кислоти. В результаті загальний вигляд віріона - гранично лаконічний циліндр, порожниста трубка.

А ось інша форма: двадцатигранник, ікосаедр, межі якого утворені трикутниками. Основний матеріал, з якого складний ікосаедр, - ті ж білкові структури. Всередині - порожнину, де покоїться молекула нуклеїнової кислоти. Це вирион поліомієліту.

Описані віруси відносяться до числа найбільш просто влаштованих, «мінімальних», як їх називають. Втім, і «мінімальні» та інші набагато складніше влаштовані віруси завжди схожі в одному: їх «нуклеїнових центр» - нуклеоїд побудований по одному з описаних двох типів - гвинтовому або кубічному.

До речі, вивчаючи «мінімальні» віруси, дослідники зіткнулися з цікавим явищем, які не мають аналогій в світі живих істот.

... Чи можна механічно розділити живу клітину на частини, потім знову зібрати її і змусити не тільки ожити, але і справно функціонувати? «Мінімальні» віруси на таке здатні. Якщо відокремити їх білкові оболонки від нуклеїнової кислоти, іншими словами, якщо перетворити їх в білкові «осколки» і нуклеїнових масу, а потім ці дві субстанції змішати, то знову виникнуть вихідні зрілі віруси - віріони з їх геометрично правильної структурою і колишніми інфекційними властивостями.

- Дозвольте, - заперечували багато вчених ще в недавньому минулому, - так можна взагалі після цього називати віруси живими істотами? Може бути, це крісталлообразном речовини, наділені хвороботворними властивостями?

- Або, - говорили інші, - це прикордонні форми між живим і неживим світами.

Хто ж правий? Швидше за все найбільш численна група дослідників, яка вважає, що віруси - представники живої природи, го тобто не речовини, а істоти. Правда, істоти вкрай своєрідні, провідні суто паразитичний спосіб життя.

Вірус проникає в клітину

Паразитизм, тобто існування одного організму за рахунок іншого, - явище, досить поширене в природі. Кровоссальні комахи - кліщі, воші, попелиці, що живуть на листках рослин, стрічкові черв'яки-глисти, бактерії - всі вони використовують поживні речовини, що містяться в організмі свого «господаря», так би мовити, живуть за його рахунок.

Віруси цього не потребують. Харчуватися вони не мають чим і нема чого: органи, які здійснюють обмін речовин, у них відсутні. Однак своєму «хазяїну» вони довіряють щось набагато більше - турботи про продовження їх роду.

Інтимний процес розмноження вірусів відбувається в надрах клітини. І способи проникнення в клітину, цю «святая святих» організму, і образ дій вірусних частинок на всіх наступних за цим стадіях надзвичайно показові. Втім, поспостерігаємо за цими діями від початку до кінця на прикладі вірусу бактерії - бактеріофага T2, «господарем» якого є кишкова паличка.

Своєрідно будова цього вірусу. Т2 складається з двох частин - головки і відростка. Головка - ікосаедр, складений з білкових структур. Всередині - в капсулі - носій спадкової інформації фага - ДНК. Порожній відросток з шістьма шипами і стількома ж нитками-фибриллами на кінці прикріплений до однієї з граней ікосаедра і забезпечений зовнішнім «чохлом» з особливого білка, здатного скорочуватися, подібно м'язі. Тут же, в кінчику відростка, - невелика кількість ферменту лізоциму.

Початок зближення вірусу T2 з бактерією-кліткою відбувається як би само собою, під дією сил зовнішніх: фаг притягується до поверхні клітини, подібно магнітній міні, «прилипає» до днища корабля.

Подальші дії вірусу, однак, далеко не настільки пасивні. Ворсинки-фібрили і шипи дозволяють йому зміцнитися в найбільш вигідному положенні, притиснутися до оболонки клітини. При цьому фермент лізоцим, здатний розпушувати клітинні структури, починає руйнувати знаходиться перед ним ділянку оболонки. Потім слід різке скорочення «чохла» і відросток, проколюючи стоншену стінку, заштовхується в клітку. Нитка ДНК в цей момент як би впорскується всередину клітини, а непотрібна більше білкова оболонка залишається зовні.

Експериментально вдалося встановити довжину нитки ДНК фага Т2: вона дорівнює приблизно 50 мікрона, що в 500 разів перевищує діаметр головки самого фага. Таким чином, можна собі уявити, якої складності завдання вирішується вірусом під час цієї своєрідної «ін'єкції». Використовуючи звичні для нас категорії вимірювань, цей процес можна порівняти з миттєвим проштовхуванням капронової нитки десятиметрової довжини через невелику соломинку.

Віруси, що мають іншу будову, проникають в клітку не настільки вигадливим шляхом. Притягнуті до оболонки клітини і впливають на неї ферментами, вони провокують втягування всередину тієї ділянки мембрани, на якому осіли. Утворюється свого роду капсула-вакуоль з вірусною частинкою всередині. Вакуоль ця потім відривається, і в ній, мандрівної всередині клітини, продовжують йти одночасно два процеси - вірусна частка за допомогою своїх ферментів руйнує огортає її стінки капсули, а ферменти клітини руйнують зовнішні оболонки вірусу, звільняючи, як це було і у випадку з фагом Т2 , нуклеїнових кислот.

фабрика вірусів

Отже, нуклеїнова кислота покинула білкову оболонку і зникла, безслідно розчинилася в клітинної середовищі. Що ж далі?

Зовні на перший погляд - повне благополуччя, своєрідна «німа фаза», коли ніщо не нагадує про недавні події. І лише через деякий час, чітко визначений для кожного виду вірусів, коли клітина гине, а її оболонку залишають зрілі віріони, можна зробити висновок: так, боротьба триває. Де і як?

Ми ще не маємо можливості отримати повну відповідь на це питання. До сих пір вдалося встановити характер лише деяких змін, що відбуваються на цьому етапі в різних частинах клітини. І по цих окремих штрихами ми відтворюємо, намагаємося уявити собі повністю відбувається.

Формування вірусів починається, мабуть, з придушення нормальних процесів обміну речовин в клітині. Встановлено, зокрема, що рибонуклеїнова кислота (РНК) вірусу грипу здатна синтезувати на клітинних елементах - рибосомах, що відають виробленням білка, - особлива речовина, також білкової природи, - гистон, який, в свою чергу, зв'язується з ДНК клітини і припиняє синтез клітинної РНК. Деякі інші віруси, наприклад, віруси поліомієліту, не потребують манівці, так як самі здатні втрутитися в діяльність рибосом і припинити синтез клітинних білків. Виявлено й інші механізми придушення вірусами клітинного обміну, їх втручання в життєдіяльність клітини, але в кінцевому рахунку все зводиться до одного: клітинні ресурси перестають витрачатися на потреби самих клітин і надходять в розпорядження вірусної нуклеїнової кислоти.

Іншімі словами, клітінні структури, Які відають відтворенням «запасних частин» для Вічно оновлюється, омолоджує Клітини, отримуються наказ про виготовлення частин вірусів. І клітина, образно Кажучи, превращается в фабрику, де одночасно, в напруженного темпі, набагато перевіщує ее возможности, почінають віроблятіся сотні кінцівок, сотні тулубів, сотні наборів «внутрішніх ОРГАНІВ» (нуклеїнові кислоти, ферменти и інші СКЛАДНІ сполуки вірусів). Ці «напівфабрикати» скупчуються в різних частинах клітини, а потім в настільки ж інтенсивному темпі йдуть на складання нових вірусів.

Тут-то і закінчується «німа фаза»: оболонка виснаженою клітини лопається, на світ з'являються новонароджені, остаточно сформувалися віруси.

Беззахисна чи клітка!

Цикл перетворень, пов'язаних з розмноженням вірусів, як правило, коротким. В одних випадках проникнення вірусної нуклеїнової кислоти в клітину відокремлює від появи віріонів 13-15 хвилин, в інших - 40 хвилин. Віруси однією з найбільш поширених інфекцій, грипу, проходять цей шлях приблизно за 6-8 годин. І кожен раз близько загиблої клітини виявляються десятки, а часом і сотні віріонів. Причому кожен з них, в свою чергу, готовий до продовження процесу розмноження. Кількість вірусної інфекції наростає буквально лавиноподібно.

Така ситуація в умовах, ідеальних для вірусної інфекції, коли ніщо не перешкоджає її поширенню. Ці умови штучно відтворюються вченими в лабораторії за допомогою методу культури тканин. Полягає цей метод в наступному. У скляних судинах вирощуються колонії клітин різних тваринних організмів. Клітини з їх здатністю до постійного оновлення своїх структур практично безсмертні. Взяті одного разу, а потім багаторазово «перещеплювати», пересідаємо з посудини в посудину, вони здатні надовго пережити своїх «господарів».

Умови, подібні до природними, природними, імітують тут спеціальні живильні середовища і ретельно вивірені температури. Скляний посуд з тонким, прозорим шаром культури тканин і стає ареною, де безперешкодно хазяйнують віруси. За їх діями найзручніше простежити за допомогою кінокамери, встановленої у об'єктива оптичного мікроскопа. На кадрах фіксуються всі найбільш важливі моменти єдиноборства клітин з вірусами. Демонструвати фільми можна з будь-якої потрібної нам швидкістю. Таким чином, час процесу, вимірюваного в ході досвіду цілодобово і годинами, «стискається» до кількох хвилин.

Але так як головна дійова особа - вірус залишається за кадром (в звичайний мікроскоп його не видно), на екрані тільки наслідки його агресії. Картина перед спостерігачем розгортається вражаюча. Спочатку крайні клітини, першими зазнали нападу, починають втрачати властиві їм округлі обриси. Поступово стоншуються їх мембрани, клітинні елементи, клітина як би вибухає. У цей момент, як ми знаємо (але не бачимо цього), спустошену оболонку залишають полчища віріонів, що прямують до чергових своїм жертвам. І через саме нетривалий час точно так само змінюються, а потім лопаються сусідні клітини, за ними інші, ще і ще.

... Колонія клітинної культури як би охоплена полум'ям. Ось вона розсічена обезжізненнимі структурами на острівці. Ось стискаються і ці острівці, зменшуються в розмірах, і ... все скінчено. Колонія зруйнована вщент.

Володій віруси такими ж можливостями в природних умовах, і людині і будь-якого іншого живої істоти довелося б погано. Однак цього не відбувається, бо на сторожі - відпрацьовані за мільйони років захисні пристосування організму, що обмежують могутність вірусів.

Безмежного розширення вірусної агресії перешкоджають насамперед самі віруси. Ще в 30-х роках вчені помітили, що розмноження в клітці одного вірусу нерідко перешкоджає розмноженню в цій же клітині іншого вірусу.

Чим це поясніті? Чи не повідомляє же щасливий вирион своїм побратимам: «Стоп! Клітка зайнята! »А якщо і повідомляє, то як?

До речі, якщо говорити серйозно, одна з численних гіпотез, які намагалися пояснити це явище, так і говорила: всьому причиною конкуренція вірусів, що борються за клітинні компоненти. Без малого три десятиліття знадобилося, щоб розкрити істота цього явища, що отримало назву інтерференції. І, як виявилося, в даному випадку ініціатива належала не вірусам, а самій клітині. На проникнення вірусу (чому перешкодити клітина, на жаль, не може) вона відповідає негайної виробленням особливого білкового речовини - інтерферону. Правда, інтерферон не рятує вже уражену клітину, але перешкоджає просуванню вірусної інфекції до інших клітин організму. Іншими словами, за першими ж вирионами, прорвалися в організм, виникає бар'єр интерфероновой захисту.

Пізніше, зазвичай через кілька днів, виникає «другий ешелон» противірусної оборони - антитіла. Ці речовини, також білкової природи, нейтралізують дію вірусів, перешкоджають їхньому розмноженню.

Яке ж з цих природних засобів захисту краще. Хороші і потрібні обидва. Інтерферон, що допомагає відбити перший натиск вірусної інфекції, зникає набагато швидше, але якщо виникає необхідність, настільки ж швидко з'являється знову. Саме його здатністю діяти в потрібний момент і пояснюють в наші дні латентний (прихований) характер цілого ряду вірусів, «співіснують» з нашим організмом. Приклад - вірус герпесу, який напевно є в організмі у кожного з нас, але може проявитися тільки в момент застуди, коли організм ослаблений і виробленню інтерферону знижена.

Антитіла, що з'являються пізніше, існують незрівнянно довше. Саме вони і стають основою стійкого імунітету, завдяки якому багато інфекційних хвороб не повторюються двічі в житті одного індивідуума.

Медицина - в наступі

Серед інфекційних захворювань 80 відсотків вірусних. Ця цифра - свідоцтво перемоги людини над бактеріальними інфекціями. Чума, холера, тиф, колись беззастережно бути першим в медичних статистичних зведеннях, з приходом антибіотиків і сульфопрепаратами назавжди здали свої позиції. Їх місце зайняли хвороби, що викликаються вірусами.

Як відомо, і з цими недугами ведеться успішна боротьба. Переможений поліомієліт. Обтяжливим спогадом пішла в минуле віспа. Широким фронтом йде наступ на кір: лише за останні п'ять років число перенесли захворювання на кір знизилася в 5 разів; на порядку денному - повне викорінення цієї інфекції на території нашої країни.

Значні зусилля спрямовуються на боротьбу з гепатитом, грипом, паротит, вірусні респіраторні захворювання, однак тут вирішальні досягнення ще попереду.

Можна відзначити два основних напрямки боротьби з вірусними інфекційними хворобами. Це вакцинація і використання природного, «запропонованого» природою речовини - інтерферону. Зараз його вже отримують в масових кількостях і успішно застосовують для профілактики грипу та при лікуванні інших вірусних захворювань.

Поряд з цим вчені працюють над створенням інших ефективних лікарських речовин, здатних придушити вірусну інфекцію.

Нам належить організувати найширші, в масштабі всієї планети, дослідження місць проживання хвороботворних вірусів, вивчення умов їх існування, виявлення їх постійних і проміжних «господарів» серед ссавців, комах та інших живих істот.

Робота ця розпочата. У всі кінці нашої країни і за кордон відправляються спеціальні експедиції вірусологів. Вже отримані надзвичайно цінні дані про переміщення вірусної грипозної інфекції з Всесвітнього протівогріппового центру, в діяльність якого вносить істотний внесок регіональний протигрипозний центр СРСР.

Я не зупинився на дослідженнях, проведених вірусологами в області вивчення онкогенних вірусів, - це тема спеціальної статті. Скажу тільки, що нам належить розробити методи «генної хірургії», щоб вміти не тільки видаляти вторглися в клітку людини і тварин геноми онкогенних вірусів, але і в ряді випадків блокувати їх усередині клітини. Думаю, що це вже не фантастика, а цілком реальна перспектива.

Така наша тактика сьогодні. А стратегія буде залежати від того, яка гіпотеза про походження вірусів виявиться вірною. Якщо справедливі перші дві - ми на правильному шляху. Але якщо підтвердиться гіпотеза «оскаженілих генів», з наші плани доведеться внести суттєві корективи. Які? Це покаже майбутнє.