Planeta wirusów. Czy wirusy sterują życiem na Ziemi? ebook

DLA GRACE,mojego ulubionego gospodarza

Przedmowa

Wirusy sieją spustoszenie w naszym świecie, wpływając na życie blisko miliarda ludzi. W ubiegłym wieku odegrały również niezwykłą rolę w osiągnięciach biologii. Wirus ospy prawdziwej wywoływał w przeszłości jedną z najbardziej zabójczych chorób, a jednak obecnie jest jednym z kilku zarazków całkowicie wyeliminowanych w naturze. Nowo pojawiające się wirusy, takie jak te powodujące grypę, Ebola, Zika czy trwającą obecnie pandemię COVID-19, stanowią globalne zagrożenie i tworzą nowe wyzwania oraz problemy. Te i inne wirusy najpewniej nie przestaną zagrażać człowiekowi. Dokładniejsze ich zrozumienie pozwoli nam także lepiej się przygotować na ich ataki oraz powstrzymać przyszłe choroby i pandemie wirusowe.

Wirusy są nie tylko niewidzialnymi, lecz także dynamicznymi graczami ziemskiej ekologii. Przenoszą DNA między gatunkami, dostarczają ewolucji nowego materiału genetycznego i regulują liczebność ogromnych populacji organizmów. Każdy żywy organizm, od maleńkich mikrobów do wielkich ssaków, podlega wpływom wirusów. Wirusy sięgają też daleko poza interakcje z organizmami, oddziałując na klimat, gleby, oceany i zasoby wód słodkich. Kiedy zastanawiamy się nad tym, jak ewolucja kształtowała rozwój wszystkich zwierząt, roślin i mikroorganizmów – musimy brać pod uwagę wpływ maleńkich i zarazem potężnych wirusów, z którymi współdzielimy Ziemię.

Po opublikowaniu w 2011 roku pierwszego wydania Planety wirusów wirusy nie przestały zaskakiwać nas wszystkich. Wirus Ebola, w przeszłości ograniczony do niewielkich, lokalnych ognisk w Afryce, nagle spowodował wielkie epidemie i po raz pierwszy rozprzestrzenił się na inne kontynenty. Nowe wirusy, takie jak SARS czy MERS, przeskoczyły ze zwierząt na ludzi poprzez infekcje zoonotyczne. HIV, po raz pierwszy zidentyfikowany w 1983 roku, ma na swoim koncie zainfekowanie niemalże 38 milionów ludzi na całym świecie. Naukowcy odkrywają jednak również nowe sposoby wykorzystania niezwykłej różnorodności wirusów dla naszych własnych korzyści. Carl Zimmer zaczerpnął pełnymi garściami z tych nowych odkryć, pisząc kolejną edycję Planety wirusów.

Zimmer początkowo napisał większość rozdziałów jako eseje w ramach projektu „Świat Wirusów”, będącego częścią Nagrody Partnerstwa Nauki i Edukacji (SEPA), finansowanej przez Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH). „Świat Wirusów” powstał, by pomóc zainteresowanym lepiej zrozumieć wirusy i wirologię poprzez komiksy, szkolenia dla nauczycieli, aplikacje mobilne na telefony i tablety oraz inne materiały edukacyjne. Więcej informacji o samym projekcie można znaleźć pod adresem http://worldofviruses.unl.edu.

Dr Judy Diamond

Profesor i kurator, Muzeum Stanowe Uniwersytetu Nebraski

Kierownik projektu „Świat Wirusów”

Dr Charles Wood

Profesor im. Lewisa L. Lehra nauk biologicznych i biochemii, Uniwersytet Nebraski

Dyrektor Centrum Wirologii Nebraski

Zakaźny, żyjący płyn

Wirus mozaiki tytoniowej i odkrycie wirosfery

Pięćdziesiąt mil na południe od meksykańskiego miasta Chihuahua rozciąga się suche pustkowie pasma górskiego Naica. W 2000 roku grupa górników przekopywała się tam przez sieć jaskiń rozciągającą się pod górami. Gdy osiągnęli głębokość 300 metrów od powierzchni ziemi – znaleźli się w miejscu jakby wyjętym z tego świata. Oto stali w wielkiej skalnej komorze, szerokiej na prawie dziesięć metrów i długiej na przeszło trzydzieści. Sklepienie, ściany i dno komory pokryte były gładkimi, wielościennymi, półprzejrzystymi kryształami gipsu. Wiele jaskiń na świecie zawiera pokłady kryształów, ale te z gór Naica były wyjątkowe. Mierzyły do 36 stóp długości i ważyły nawet 55 ton. Nie były to kryształy, jakie chcielibyśmy powiesić sobie na szyi w postaci wisiorka. To były kryształy, na które można by się wspinać, zupełnie jak na skalne ściany.

Od momentu jej odkrycia raptem kilku naukowców dostało pozwolenie na odwiedziny w tej niezwykłej komorze, znanej obecnie jako Kryształowa Jaskinia. Juan Manuel García-Ruiz, geolog z Uniwersytetu w Grenadzie, był jednym z nich. Po zbadaniu kryształów stwierdził, że powstały 26 milionów lat temu. Gorąca magma wypływała wtedy z głębi Ziemi, budując górskie szczyty. W ich głębi kształtowały się podziemne komory, wypełniające się gorącą, bogatą w rozpuszczone minerały wodą. Ciepło płynącej pod ziemią magmy utrzymywało temperaturę wody na poziomie parzących 58 stopni Celsjusza. Jest to idealna temperatura sprzyjająca powolnemu wytrącaniu się minerałów z gorącego roztworu i tworzeniu kryształów. Z powodów, których wciąż dobrze nie rozumiemy, woda utrzymywała tę idealną temperaturę przez setki tysięcy lat. Studzone „na wolnym ogniu” kryształy mogły dzięki temu osiągnąć surrealistyczne rozmiary.

W 2009 roku inny naukowiec, Curtis Suttle, poprowadził nową ekspedycję do Kryształowej Jaskini. Suttle ze swoimi współpracownikami pobrał próbki wody z sadzawek na dnie komory i w celu ich przeanalizowania sprowadził je do swojego laboratorium na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej. Biorąc pod uwagę zawodowe doświadczenie Suttle’a, jego wyprawa była co najmniej dziwnym przedsięwzięciem. Suttle bowiem nie interesuje się zawodowo kryształami czy minerałami, czy nawet skałami. Bada on wirusy.

Ale – w Kryształowej Jaskini nie mieszkają ludzie mogący być nosicielami jakichś wirusów. Nie ma tam nawet żadnych ryb. Jaskinia przez miliony lat była kompletnie odcięta od zewnętrznego świata ożywionego. Mimo to wyprawa Suttle’a okazała się niezwykle owocna. Po odpowiednim przygotowaniu i spreparowaniu sprowadzonych próbek wody Suttle spojrzał na nie przez mikroskop. Zobaczył tam wirusy, całe chmary wirusów. W każdej kropli wody z Kryształowej Jaskini znajduje się nawet dwieście milionów wirusów.

W tym samym roku inna badaczka, Dana Willner, poprowadziła swoją własną ekspedycję naukową. Zamiast w głębiny jaskini, zanurkowała ona w zakamarki ludzkiego ciała. Willner zebrała od dużej grupy ludzi ślinę, prosząc badanych o splunięcie do kubka. Następnie wraz ze swoimi kolegami wyłowiła z tego płynu fragmenty DNA, po czym wydobyte kawałki DNA porównano do milionów sekwencji genetycznych przechowywanych w internetowych bazach danych. Większość DNA to ludzki materiał genetyczny, ale liczne odnalezione fragmenty należały do wirusów. Przed „wyprawą” Willner w głąb ciała naukowcy zakładali, że wnętrza zdrowych ludzkich płuc są sterylne. Willner odkryła jednak, że człowiek ma w swoich płucach średnio 174 gatunki różnych wirusów. Co więcej, raptem jedynie 10% gatunków znalezionych przez Willner wykazywało jakiekolwiek bliskie pokrewieństwo do kiedykolwiek zidentyfikowanych wirusów. Pozostałe 90% stanowiły gatunki równie dziwne, jak te znalezione w czeluściach Kryształowej Jaskini.

W jaskiniach i w płucach, w tybetańskich lodowcach i w wiatrach gnających wysoko nad szczytami gór – naukowcy co rusz odkrywają nowe wirusy. Znajdują je szybciej, niż są w stanie zrozumieć ich biologię i pochodzenie. Jak dotąd nazwali kilka tysięcy wirusowych gatunków, ale ich całkowita liczba, według niektórych szacunków, może sięgać trylionów. Wirusologia jest więc nauką w powijakach. Mimo to wirusy są naszymi bardzo starymi towarzyszami. Przez tysiące lat widzieliśmy jedynie to, jak na nas wpływają poprzez wywoływane przez nie choroby i śmierć. Do niedawna nie potrafiliśmy nawet powiązać wielu chorób z ich faktycznymi, wirusowymi przyczynami.

Słowo wirus od samego początku miało w sobie coś z przeciwieństw. Odziedziczyliśmy to słowo po imperium rzymskim, gdzie oznaczało ono – jednocześnie – jad węża oraz męskie nasienie. Stworzenie i destrukcja w jednym słowie.

Przez wieki znaczenie słowa ewoluowało i wirus zaczął oznaczać każdą zakaźną substancję, mogącą rozprzestrzeniać chorobę. Mógł to być płyn sączący się z zakaźnego wrzodu. Mogła to być substancja w tajemniczy sposób przenosząca się w powietrzu. Wirus mógł nawet przenikać papier, roznosząc chorobę za dotknięciem palca.

Wirus zaczął przyjmować swoje współczesne znaczenie dopiero pod koniec XIX wieku w związku z katastrofą rolniczą. Farmy tytoniu w Holandii niszczone były wtedy przez tajemniczą chorobę zmieniającą rośliny w dziwne mozaiki martwej i żywej tkanki. Dziesiątkowane i opuszczane były całe plantacje.

W 1879 roku holenderscy farmerzy zwrócili się po pomoc do młodego farmaceuty rolniczego, Adolpha Mayera. Mayer nazwał chorobę mozaiką tytoniową. By zrozumieć przyczyny choroby, zaczął on badać środowisko, w którym rosły rośliny – glebę, temperaturę, nasłonecznienie. Nie potrafił jednak znaleźć niczego, co odróżniałoby rośliny chore od zdrowych. Być może – zastanawiał się Mayer – przyczyną była jakaś niewidzialna infekcja? Naukowcy wiedzieli już wtedy, że grzyby mogły atakować ziemniaki i inne rośliny – Mayer szukał więc śladów infekcji grzybowej na tytoniowych roślinach. Żadnych nie znalazł. Szukał też pasożytniczych robaków pleniących się w liściach. Również nic.

Postanowił w końcu wycisnąć sok z chorych roślin i wstrzyknąć go do zdrowych okazów. Zdrowe rośliny zachorowały! Badacz zdał sobie sprawę, że w chorych osobnikach namnaża się jakiś mikroskopijny patogen. Pobrane próbki tytoniowego soku próbował inkubować w swoim laboratorium. Wyrosły z nich bakteryjne kolonie. Kiedy były wystarczająco duże, by zobaczyć je gołym okiem, Mayer przeniósł bakterie na zdrowe rośliny, zastanawiając się, czy spowoduje to rozwój mozaiki tytoniowej. Nic takiego jednak się nie stało. Obecnie wiemy, że rośliny pokryte są żywymi bakteriami, od czubków swoich korzeni aż po liście. I bakterie te wcale nie powodują u roślin chorób. Wręcz przeciwnie – wiele z nich wspomaga wzrost roślin. Wraz z tą porażką zakończyły się badania Mayera. Świat wirusów pozostał tajemnicą.

Kilka lat później inny Holender, Martinus Beijernick, podjął trop pozostawiony przez Mayera. Beijernick zastanawiał się, czy za mozaikę tytoniową odpowiada coś innego niż robaki, grzyby lub bakterie – coś znacznie mniejszego. Aby to zbadać, zmielił chore rośliny i przepuścił powstały płyn przez filtr tak gęsty, że powinien był zatrzymać wszystkie zawarte w miazdze komórki. To, co się przesączyło, było klarowną, wolną od wszelkich komórek cieczą. Kiedy Beijernick wstrzyknął ją zdrowym okazom tytoniu – te wykazały objawy mozaiki. Te nowo zainfekowane rośliny, po zmieleniu i przesączeniu przez taki sam filtr, dały płyn, który mógł zakażać kolejne zdrowe osobniki.

Beijernick opisał swoje wyniki w 1898 roku, nazywając przefiltrowany sok tytoniowy „żyjącym płynem zakaźnym”. Ewidentnie zawierał on coś, co przenosiło zarazę mozaiki tytoniowej. Beijernick zakładał, że substancja ta musiała być żywa, choć w sposób odmienny od życia dotychczas znanego człowiekowi. Pod koniec XIX wieku biolodzy byli przekonani, że każde życie musi składać się z komórek. Płyn Beijernicka natomiast nie zawierał żadnych komórek. Cokolwiek w nim było, musiało być niezwykle odporne. Beijernick, na przykład, dodawał do zakaźnego płynu alkohol, co w żadnym stopniu nie zmniejszało jego zakaźności. Podgrzewanie płynu niemalże do temperatury wrzenia również nie wyrządzało mu krzywdy. Badacz spróbował nawet odparować płyn, zanurzając w nim papierowy filtr i zostawiając go na powietrzu. Po trzech miesiącach taki suchy preparat był namaczany w wodzie. Powstały roztwór wciąż jednak był zdolny zakażać nowe rośliny.

Beijernick nazwał ten zakaźny czynnik obecny w płynie wirusem. Zapożyczył to starożytne słowo i nadał mu zupełnie nowe znaczenie. Mimo to Beijernick nie potrafił ostatecznie wyjaśnić, czym faktycznie był wirus. Jedyne, co mógł stwierdzić, to to, czym wirus nie był. A na pewno nie był zwierzęciem, rośliną, grzybem lub bakterią. Był czymś zupełnie innym.

Wkrótce stało się jasne, że Beijernick odkrył raptem jeden rodzaj wirusa. Na początku XX wieku inni badacze, wykorzystując jego metodę filtrowania i zakażania, odkrywali inne wirusy wywołujące najróżniejsze choroby. Wreszcie naukowcy nauczyli się namnażać pewne wirusy poza ich gospodarzami. Skoro możliwe było hodowanie komórek gospodarza na szalce Petriego, to możliwe było również hodowanie w nich wirusów.

Jednak nawet wtedy naukowcy nie potrafili ostatecznie dojść do porozumienia dotyczącego tego, czym są wirusy. Niektórzy twierdzili, że wirusy są pasożytami wykorzystującymi komórki gospodarza. Inni sądzili, że wirusy są po prostu szkodliwymi związkami chemicznymi. O zamieszaniu, jakie wtedy panowało wokół tematu wirusów, najlepiej świadczy to, że badacze nie mogli nawet się zdecydować, czy wirusy są żywe czy martwe. W 1923 roku brytyjski wirusolog Frederick Twort oświadczył, że „nie jest możliwe zdefiniowanie natury wirusów”.

Wirusowe zamieszanie zaczęło powoli się wyjaśniać za sprawą chemika Wendella Stanleya. Jeszcze jako student chemii, Stanley nauczył się w 1920 roku sztuki produkcji kryształów przez „ustawianie” cząsteczek związków chemicznych w powtarzające się wzory. Dzięki temu naukowcy mogli dowiedzieć się wielu nowych rzeczy na temat cząsteczek w ich krystalicznej formie. Mogli na przykład bombardować kryształy promieniami Roentgena, które odbijały się od regularnie ułożonych atomów i były następnie rejestrowane na kliszy fotograficznej. Promieniowanie rentgenowskie tworzyło wtedy na kliszy powtarzające się wzory złożone z krzywych, linii i kropek. Naukowcy wykorzystywali je do ustalenia struktury cząsteczek budujących kryształ.

Na początku XX wieku kryształy pomogły rozwiązać jedną z największych zagadek biologii. W tamtym czasie biolodzy wiedzieli, że żywe komórki zawierają tajemnicze cząsteczki zwane enzymami, które potrafią precyzyjnie rozcinać inne konkretne molekuły. By ustalić, czym faktycznie są enzymy, naukowcy wyprodukowali z nich kryształy. Poddane działaniu promieni rentgenowskich ujawniły, że enzymy zbudowane są z białka. Rozmyślając nad działaniem wirusów, Stanley zastanawiał się, czy aby one również nie są zbudowane z białek.

By się tego dowiedzieć, Stanley wyprodukował wirusowe kryształy. Do swoich badań wybrał dobrze znany gatunek: wirusa mozaiki tytoniowej. Badacz zebrał sok z zakażonego wirusem tytoniu i przepuścił go przez bardzo drobne filtry, zupełnie jak Beijernick cztery dekady wcześniej. Po usunięciu z filtratu wszelkich zanieczyszczeń płyn był gotowy do krystalizacji. Ku swojemu zdziwieniu z zachwytem zobaczył cieniutkie igiełki wytrącające się z płynu. Rosły one powoli, tworząc opalizujące płatki. Po raz pierwszy w historii wirusy stały się widoczne gołym okiem.

Stanley stwierdził, że jego wirusowe kryształy były wyjątkowo odporne, zupełnie jak kawałki jakiegoś minerału. Mógł na przykład przechowywać je miesiącami, jak sól w solniczce. Dodane do wody kryształy rozpuszczały się w mgnieniu oka, tworząc na nowo zakaźny płyn.

Eksperymenty Stanley’a, których opis opublikowano w 1935 roku, oszołomiły opinię publiczną. „The New York Times” ogłosił: „Odwieczny podział na żywe i martwe traci na swojej ważności”.

Niemniej jednak, mimo ich przełomowości, badania Stanley’a miały swoje ograniczenia. Popełnił on na przykład niewielki, ale dość zasadniczy błąd. Wirus mozaiki tytoniowej nie składa się wyłącznie z białka. Dwoje brytyjskich naukowców, Norman Pirie oraz Fre Bawden, wykazało w 1935 roku, że 5% masy wirusa mozaiki stanowi inna cząsteczka, tajemnicza substancja tworząca długie łańcuchy, zwana kwasem nukleinowym. Jak się później okazało, kwasy nukleinowe są materiałem budującym geny, instrukcje mówiące, jak konstruować białka i inne cząsteczki. Nasze komórki przechowują informację genetyczną w postaci dwuniciowego kwasu nukleinowego nazywanego kwasem deoksyrybonukleinowym, czyli DNA. Wiele wirusów również wykorzystuje DNA jako nośnik genów. Niektóre z nich, jak na przykład wirus mozaiki tytoniowej, zbudowane są jednak na jednoniciowym kwasie nukleinowym zwanym rybonukleinowym, czyli RNA. Odkrycie, jak wirusy wykorzystują swój materiał genetyczny do przejmowania kontroli nad komórkami i zmuszania ich do produkcji swoich kopii, zajęło naukowcom kolejne dekady.

Co więcej, choć Stanley był pierwszym człowiekiem, który zobaczył wirusy, widział on je tak naprawdę w całych „stadach”. Każdy stworzony przez niego kryształ mógł zawierać miliony pojedynczych wirusów mozaiki, splecionych ze sobą w przeplatającą się sieć. By zobaczyć pojedyncze cząsteczki wirusowe, naukowcy najpierw musieli wynaleźć nowy rodzaj mikroskopii – wykorzystującej wiązki elektronów zamiast światła do obrazowania maleńkich obiektów. W 1939 roku Gustav Kausche, Edgar Pfannkuch i Helmut Ruska umieścili kryształy wirusa mozaiki tytoniowej w maleńkich kroplach wody, a te w jednym z takich urządzeń. Zobaczyli tam maleńkie pałeczki, każda o długości około 300 nanometrów.

Nikt wcześniej nie widział żyjącego organizmu o tak niewielkich rozmiarach. By zdać sobie sprawę z rozmiarów cząstek wirusowych – połóż na stole jedno ziarenko soli kuchennej. Przypatrz mu się dobrze. Wzdłuż krawędzi tego ziarenka można by ułożyć, jedna za drugą, około 10 komórek naskórka. Albo 100 komórek bakteryjnych. Można by również ułożyć wzdłuż boku tego ziarenka tysiąc pojedynczych wirusów mozaiki tytoniowej, jeden za drugim.

Przez kolejne lata naukowcy rozkładali wirusy na czynniki pierwsze, odtwarzając ich „molekularną geografię”. Wirusy zbudowane są wprawdzie z białek i kwasów nukleinowych zupełnie tak, jak nasze własne komórki, ale wykorzystują one te cząsteczki w zgoła inny sposób. Ludzka komórka jest wypchana po brzegi najróżniejszymi molekułami znajdującymi się w nieustannym, szaleńczym ruchu, rozcinającymi siebie nawzajem i łączącymi się z innymi molekułami – wszystko, by odbierać sygnały z otoczenia, poruszać się, pobierać pokarm, rosnąć, decydować o podzieleniu się na dwie nowe komórki lub o własnej śmierci dla dobra innych komórek. Jak się okazało – wirusy, co do zasady, są znacznie mniej skomplikowane. Są one z reguły prostymi białkowymi osłonkami, zawierającymi raptem kilka genów. Wirusolodzy odkryli, że wirusy replikują (rozmnażają) siebie – mimo dość mizernego zestawu swoich własnych genetycznych instrukcji – „porywając” inne żywe organizmy. Wstrzykują one do ich komórek swoje wirusowe białka i geny, a te zmuszają komórki gospodarza do produkcji nowych kopii wirusa. Jeden wirus wnika do atakowanej komórki, a po kilku dniach tysiące jego kopii wydostają się na zewnątrz.

Do końca lat 50. ubiegłego wieku wirusolodzy oswoili się z tymi podstawowymi faktami. Bynajmniej nie spowolniło to rozwoju wirusologii. Badacze wciąż na przykład wiedzieli bardzo niewiele na temat konkretnych sposobów, w jakie wirusy wywołują choroby. Na przykład nie było wiadomo, dlaczego wirusy brodawczaka (ang. papillomaviruses) powodowały u królików wzrost rogowaciejących narośli, a jednocześnie odpowiedzialne były za setki tysięcy przypadków raka szyjki macicy każdego roku. Nie było wiadomo, co czyniło niektóre wirusy śmiertelnie niebezpiecznymi, podczas gdy inne były zupełnie nieszkodliwe. Naukowcy mieli się też dopiero dowiedzieć, w jaki sposób wirusy potrafią wymykać się systemom odpornościowym atakowanych gospodarzy i w jaki sposób ewoluują one szybciej niż cokolwiek innego na Ziemi. W latach 50. badacze nie wiedzieli również, że pewien wirus przeskoczył kilka dekad wcześniej z szympansów i innych naczelnych na ludzi – ten sam, który stał się później jednym z największych zabójców w historii ludzkości, znanym jako HIV. Nie mogli też przewidzieć, że w 2020 roku nowy wirus, zwany SARS-CoV-2, przetoczy się przez planetę, pogrążając globalną gospodarkę w największym kryzysie ekonomicznym od czasów wielkiego kryzysu gospodarczego.

W latach 50. badacze nie mieli również pojęcia, że wirusy pełnią ważne role poza ich działaniem chorobotwórczym. Wirusologom nie śniło się nawet, jak wiele wirusów istnieje na Ziemi ani też jak znacząca część ziemskiej bioróżnorodności składa się właśnie z nich. Nie wiedzieli, że wirusy pomagają produkować tlen, którym oddychamy, oraz że biorą udział w regulacji temperatury na Ziemi. Z całą pewnością również nie spodziewali się, że ludzki genom złożony jest częściowo z tysięcy wirusów, które infekowały naszych odległych przodków, ani że życie na Ziemi mogło zacząć się cztery miliardy lat temu właśnie od wirusów.

Współcześni naukowcy to wszystko wiedzą lub, żeby nazwać rzeczy nieco precyzyjniej, wiedzą o tym wszystkim. Zdają sobie sprawę, że od głębin Kryształowej Jaskini do wnętrza naszych własnych ciał Ziemia jest planetą wirusów. Mamy o nich wciąż dość powierzchowne pojęcie, ale to już coś – to dobry początek.

Zacznijmy więc naszą opowieść – od początku.