Вирусы-гиганты в океане жизни

Вирусы-гиганты в океане жизни

Журнал Популярная Механика

22.04.2019

В своем бескрайнем эгоцентризме человек долгое время видел себя на самой вершине пирамиды живых существ. Представлялось, что верхние этажи ее населяют близкие к нам животные, следом идут неподвижные грибы и растения, а основание занимают мириады мельчайших организмов, простейших и бактерий. И где-то на самом дне этой условной пирамиды, прямо на границе живого, расположились бесчисленные вирусы.

В 1892 году петербургский биолог Дмитрий Ивановский заметил, что мозаичная болезнь табака вызывается неизвестным токсином, который намного мельче любых бактерий и даже проходит сквозь поры стерилизационного фильтра. Через несколько лет Мартин Бейеринк обнаружил, что эти «токсины» размножаются в живых клетках растения и являются особыми инфекционными агентами, возможно, «жидкими бактериями». Однако уже вскоре выяснилось, что эти болезнетворные агенты представляют собой твердые крошечные частицы, вирусы.

Возбудители оспы (сверху) — одни из самых крупных вирусов. Похожее на гантель ядро содержит ДНК, защищенную белковым капсидом. Его окружает сферическая оболочка, оторванная от мембраны хозяйской клетки. Белковые трубочки на поверхности скрывают вирус от иммунной системы и обеспечивают заражение.

В те годы бурно развивались представления о том, что жизнь организует себя в форме клеток. Однако вирусы оказались намного мельче любой клетки: оптический микроскоп не позволял рассмотреть отдельные частицы, не задерживал их и стерилизационный фильтр Шамберлана, которым пользовался Ивановский и другие микробиологи того времени. Кроме того, вирусы не размножались вне клеток хозяина и самостоятельно «в пробирке» не культивировались. Все это указывало на их крайнюю примитивность в сравнении даже с самыми простыми из клеточных организмов.

Неудивительно, что в пирамиде жизни место им нашлось только в самом низу. Вполне живым можно назвать разве что вирус, захвативший клетку и начавший действовать, используя ее механизмы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Но в свободной форме он скорее мертв, чем жив: с появлением электронных микроскопов в 1930-х годах выяснилось, что их крошечные частицы (вирионы) представляют собой большие молекулярные комплексы, состоящие из белков и ДНК (или РНК), и способны разве что пассивно сохранять и переносить геном паразита от одного хозяина к другому.

Древо жизни

Представления, закрепившиеся в биологии начиная с Дарвина, организуют живые существа в структуру куда более сложную, нежели пирамида, — обширное филогенетическое «древо жизни». Сегодня на нем выделяют три крупнейших ствола: бактерии, археи и эукариоты (включая инфузорий и амеб, животных, растения и грибы). У каждой из этих групп имеются свои вирусы, совершенно безопасные для остальных. И если уж действительно пользоваться метафорой дерева, то их можно сравнить с паразитическими лианами, оплетающими каждую ветку и достигающими каждого листа.

С самим «древом» вирусы напрямую не связаны. В отличие от всего по‑настоящему живого, от кишечной палочки до кошки, они не состоят из ограниченных мембранами клеток, не могут поглощать питательные вещества и производить белки для построения новых биологических структур. С самого начала вирусы ученым приходилось описывать от противного — как нефильтрующиеся, некультивируемые, невидимые в световой микроскоп и т. д.

А по мере все лучшего понимания их устройства к этим отрицаниям добавились новые: не делятся, не синтезируют белки, не производят энергию. Наконец, вирусы не оставляют окаменелостей и следов в палеонтологической летописи, так что даже вопрос о том, откуда они появились, по‑прежнему остается загадкой.


Свидетельство по форме

Не существует ни единого гена, который был бы общим для всех вирусов на свете. Вдобавок их крошечные геномы чрезвычайно изменчивы, что сильно затрудняет анализ происхождения и эволюции вирусов привычными методами биоинформатики — например, сравнением последовательности нуклеотидов в их ДНК или РНК. Это же касается и аминокислотной последовательности вирусных белков. С другой стороны, функции, которые выполняют те же белки, определяются не столько их набором аминокислот, сколько пространственной конфигурацией, формой — фолдингом. Поэтому важные детали белковых структур остаются куда более стабильными во времени, чем их аминокислотные цепочки или кодирующие их нуклеотиды.

Это позволяет анализировать эволюционные отношения организмов, исходя из характерных элементов фолдинга их белков. Несколько лет назад такой анализ был проделан для 11 млн белковых структур. Биологи выделили в общей сложности 1995 суперсемейств фолдинга (Folding Superfamilies, FSF), две трети которых имеются только у клеточных организмов — бактерий, архей, эукариот. При этом большая часть остальных суперсемейств встречается у всех организмов, включая и вирусы. Это в общей сложности 424 FSF — более 1/5 их общего числа, весьма внушительное количество, которое свидетельствует в пользу гипотезы о долгом общем прошлом и коэволюции древнейших протоклеточных и протовирусных форм.

Не до конца отброшена старая регрессивная гипотеза, считающая вирусы «бывшими клетками», которые пережили сильнейшую деградацию при адаптации к паразитизму и сохранили лишь несколько генов (похожая регрессия известна и для некоторых бактерий, например хламидий, утерявших способность размножаться вне хозяина). Также предполагается происхождение вирусов из отдельных фрагментов ДНК или РНК, подвижных генетических элементов, случайно «сбежавших» из общего генома.

Слева направо: кишечная палочка (бактерия, 2 мкм), питовирус (1,5 мкм), мимивирус (400 нм), бактериофаг Т4 (225 нм), ВИЧ (120 нм), вирус Зика (45 нм), парвовирус (18−28 нм).

Однако среди немногочисленных генов вирусов лишь некоторые заимствованы у клеток, а большинство вовсе не имеет никаких аналогов. Это поддерживает третью из ключевых гипотез о появлении вирусов. В том же протобульоне, где шла химическая эволюция протоклеток, параллельно этому магистральному направлению развития могли складываться, изменяться, выживать и размножаться самые разные молекулярные структуры. Эти «протовирусы» имели разное происхождение, но уже тогда паразитировали на живых клетках — и тенью сопровождают жизнь до сих пор.

Приход гигантов

В самом деле, чем больше мы понимаем о вирусах, тем меньше общего остается у них друг с другом. Классические примеры, подобные табачной мозаике, содержат короткую ДНК и капсид из набора одинаковых повторяющихся белков. Однако другие могут окружать себя фрагментами клеточных мембран, которые часто насыщены самыми разнообразными белками. Третьи используют в оболочке белки в соединении с сахарами — гликопротеины. У четвертых ДНК вовсе нет, а роль носителя генетической информации играет РНК.

По сути, о вирусах в целом мы по-прежнему можем сказать все то же самое: они не видны в оптический микроскоп, не фильтруются, не производят белок вне клеток. Короткие геномы вирусов быстро мутируют и изменяются, что лишь добавляет путаницы в эту картину. Тем понятнее громадный интерес, который привлекло самое громкое открытие в вирусологии последних лет — обнаружение вирусов-гигантов. Еще в 1992 году, когда в одной из больниц британского Брэтфорда вспыхнула легочная инфекция, ученые исследовали пробы воды в поисках источника болезни. Здесь они заметили вполне безвредные амебы, а в амебах — довольно крупные сферы, которые поначалу сочли новым бактериальным разносчиком пневмонии.

Однако в 2002-м, когда замороженные образцы «инфекции» исследовала команда французского микробиолога Жана-Мишеля Клавери, обнаружилось, что для человека она полностью безопасна. Крупные сферы оказались вирусами, поражающими амеб, причем вирусами невиданных размеров, вопреки всем правилам видимыми в обычный оптический микроскоп и неспособными пройти через фильтры. Размеры их частиц достигали 500 нм, что сравнимо с небольшими бактериями, а геном превышал в длину 1,1 млн пар оснований — почти вчетверо больше, чем у предыдущего рекордсмена среди вирусов и в разы больше, чем даже у некоторых бактерий. Эта ДНК так велика, что в ней нашлись даже отдельные элементы системы синтеза белка. По счастью, лишь отдельные, поэтому еще одного незыблемого правила — не производить белков самостоятельно — мимивирусы не нарушают.

Их запоминающееся название связано не с симпатичным обликом, а с главной особенностью — способностью мимикрировать под бактериальную клетку. Большие размеры и множество встроенных в оболочку гликопротеинов делают вирусную частицу схожей с настоящим микробом. Амеба принимает ее за свою законную добычу и проглатывает. Оказавшись внутри, эта «личинка чужого» раскрывает оболочку, освобождая свою большую ДНК. Уже вскоре системы белкового синтеза амебы начинают производить чужие белки, а клетка оказывается буквально нафарширована новыми вирионами.

Живой океан

Несмотря на свой впечатляющий размер, геном мимивирусов используется достаточно эффективно. В нем сравнительно мало «мусора» или, например, нефункциональных фрагментов старых генов, характерных для организмов, переживших «паразитическую регрессию». Проведя детальный поиск во всех доступных базах данных, нечто подобное геному мимивируса удалось найти среди фрагментов ДНК, выделенных из образцов океанской воды. Уже вскоре биологам действительно удалось найти в море новые гигантские вирусы, паразиты амеб с еще более крупными геномами — мегавирусы с ДНК длиной почти 1,3 млн пар оснований и даже пандоравирусы, геном которых содержит еще больше фрагментов, кодирующих отдельные детали клеточного аппарата синтеза белка, и достигает 2,8 млн оснований.

А начиная с 2014 года команда Клавери обнаруживает гигантские вирусы и у одноклеточных организмов вечной мерзлоты. Из образцов, которые российские ученые собрали на берегу сибирской реки Анюй, были выделены Pithovirus sibericum и Mollivirus sibericum. Похоже, что вирусы-великаны могут быть распространены не менее широко, чем их хозяева-амебы: пока что этих гигантов находят практически везде. Большая часть их ДНК совершенно уникальна — например, из 467 генов питовируса целых 315 не встречаются больше ни у одного организма, и функции их неизвестны. Этот сложный генетический коктейль, сочетающий и заимствованные у хозяев элементы, и собственные неповторимые детали, может указать на истинное положение вирусов в мире живого. Р

По словам калифорнийского эволюциониста Майкла Розе, в последние годы ученые «со всей возможной вежливостью хоронят метафору «древа жизни»». Его листья-виды и даже ветки, группы организмов, оказываются отделены далеко не так строго, как это казалось во времена Дарвина. Даже среди животных, по некоторым оценкам, до 10% регулярно практикуют межвидовые скрещивания. А уж бактерии обмениваются генами горизонтальным переносом, от одного соседа к другому, так широко и часто, что микробиологи оказываются самыми главными противниками старых представлений о биологических видах. Бывшее древо становится сложно переплетенной сетью в целом океане генов, меняющихся в своем путешествии от одного организма к другому, из старой формы — в новую.

В этом океане вирусы могут выступать особенными, неклеточными формами существования генов, возникшими еще до появления протоклеток. Когда-то они были разнообразными и равными представителями зарождавшейся жизни. Однако некоторые из них — и образец этому нам дают гигантские вирусы — могли усложниться и дать начало будущим клеточным организмам. Они оказались настолько успешными, что вытеснили остальных на периферию эволюции. Предкам вирусов оставалась единственная и не самая приятная стратегия выживания — глубокий паразитизм внутри более удачливых соперников. Но применение этой стратегии на практике они довели до совершенства. Сегодня вирусы — самые многочисленные существа на нашей планете, вносящие огромный вклад в вечное волнение генетического океана жизни.

Статья «Вирусы-гиганты в океане жизни» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2019).

Основные виды деятельности: Работа на финансовых рынках Консультирование и сопровождение в работе на финансовых рынках Юридические услуги, связанные с регистрацией, перерегистрацией, ликвидацией российских юридических лиц Консультирование в сфере кредитования и защиты прав заёмщика Информационные услуги связанные с ведением бизнеса