“Jestem zafascynowana wirusami” – podkreśla Katarzyna Kamińska z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. „Zwykle zawierają ledwie kilkanaście genów, a stosują miliony trików, by oszukać nasz organizm. Badamy je tyle lat i wciąż potrafią nas zaskoczyć. Przykładem jest choćby ostatnie odkrycie wirusa większego od bakterii. Nagle okazuje się, że cała nasza dotychczasowa wiedza wymaga rewizji” – wyjaśnia ” uczona.
Gigantyczne wirusy to najnowsze trzęsienie ziemi w poglądach na temat mikroświata. Ale wcale nie pierwsze, bo ta dziedzina nauki co kilka lat przechodzi dość radykalną transformację. Z jednej strony może to dziwić, bo przecież obiekty, którymi się zajmuje, są niezwykle pospolite. Nawet 300 metrów nad ziemią w metrze sześciennym powietrza znajduje się blisko tysiąc różnych mikroorganizmów. Bliżej gruntu liczba to rośnie do 100 tys., a na centymetrze kwadratowym ludzkiej skóry jest ich nawet 10 mln. W jednej łyżeczce brudu można doliczyć się 50 mld mikrobów – to siedem razy więcej niż liczba ludzi na Ziemi.
To jednak właśnie ta powszechność mikroskopijnych stworzeń sprawia, że tak często zaskakują badaczy. W tłumie nierzadko kryją się nowe, nieznane wcześniej gatunki, rodzaje, a nawet całe potężne grupy systematyczne.
Trzecia domena życia
Do lat 70. XX wieku wydawało się, że przynajmniej z grubsza wiadomo, jak pogrupować wszystkie formy życia na naszej planecie. Podzielono je na dwie domeny. Jedna to organizmy jądrowe, czyli eukarionty. Ich DNA jest podzielone na kawałki, zwane chromosomami, i ukryte w otoczonym błoną jądrze. Do eukariontów, oprócz zwierząt, roślin i grzybów, zaliczano także jednokomórkowce, takie jak pantofelek czy ameba. Drugą domenę stanowiły bakterie, zwane też prokariontami!, czyli organizmami bezjądrowymi. W ich drobnych komórkach nie znajduje się jądro – DNA tworzy jedną kolistą nić.
W tej klasyfikacji nie mieściły się wirusy. Uznano je za formy nieożywione. Składają się przecież z niewielkiej ilości materiału genetycznego (DNA albo RNA) opakowanego w białkową kapsułkę. Nie oddychają, nie ruszają się, nie mają przemiany materii. Są do tysiąca razy mniejsze od bakterii, które i tak mają niewielkie rozmiary w porównaniu z typową komórką ludzką. Tak małych form nie da się nawet obserwować pod powszechnie używanym mikroskopem świetlnym. Stają się widoczne dopiero w mikroskopie elektronowym.
Żeby wirus mógł wyprodukować własne kopie, musi znaleźć się w żywej komórce człowieka, zwierzęcia, rośliny lub bakterii. Tam przejmuje dowodzenie i zmusza swego gospodarza do masowej produkcji nowych wirusów. Potrafi przy tym oszukać układ odpornościowy gospodarza, a nawet przejąć nad nim kontrolę. „Te pozornie nieskomplikowane cząsteczki organiczne potrafią wystrychnąć na dudka zaawansowany ewolucyjnie organizm” – śmieje się Katarzyna Kamińska.
W latach 70. XX w. Carl Woese, amerykański mikrobiolog z University of Illionois w Urbana- -Champaign, zajął się uściślaniem klasyfikacji jednej z domen – prokariontów. Ponieważ badania genetyczne były jeszcze w powijakach, do analiz wybrał jeden niewielki fragment materiału (konkretnie – RNA wchodzące w skład tzw. rybosomów, czyli elementów komórki odpowiedzialnych za syntezę białek). Ku swemu zdumieniu odkrył, że na tej podstawie prokarionty można podzielić na dwie grupy, które na genetycznym poziomie są zupełnie odmienne.
Kolejne analizy przynosiły potwierdzenie różnic, jakie dostrzegł Woese. W końcu tę nową grupę uznano za tak odmienną od bakterii, że została uznana za nową, trzecią domenę życia – to archeony. Podobnie jak bakterie, nie mają jądra komórkowego, ale na poziomie genetycznym zbliżone są do organizmów jądrowych.
Trudno się je bada, gdyż wiele z nich żyje w środowiskach ekstremalnych: bardzo zasolonych, silnie kwasowych, niezwykle gorących (do ponad 100 st. C!) lub zimnych. Choć są i takie, które żyją w całkiem zwyczajnych warunkach. Spotyka się je nawet w jelitach zwierząt i ludzi, ale są prawdopodobnie zupełnie nieszkodliwe.
Najmniejsze bakterie świata
Kolejna niespodzianka czekała na badaczy, którzy zajęli się mikrobami chorobotwórczymi. Odkryli, że dur plamisty oraz gorączkę plamistą Gór Skalistych wywołują zarazki, które są mniejsze od bakterii, a większe od wirusów (najmniejsze ich formy miały zaledwie 100 nanometrów średnicy). Takjak wirusy, nie potrafią powielać się poza komórkami swoich gospodarzy. Na cześć ich badacza, Amerykanina Howarda Rickettsa, nazwano je riketsjami. Początkowo łączono je w jedną grupę z podobnymi mikrobami, takimi jak chlamydie (odpowiedzialne za choroby dróg rodnych i oczu oraz zapalenie płuc), które też mogą żyć tylko wewnątrz innych komórek i są niewiele większe (250-300 nanometrów). Okazało się jednak, że mimo wszystko są to bakterie, i to należące do odmiennych grup.
Czytaj więcej: Bakterie i wirusy dobierają nas w pary? Brzmi absurdalnie, ale to naukowo udowodniony fakt!
Ledwo uczeni uporali się z klasyfikacją rijketsji i chlamydii, a już świat obiegła wiadomość o odkryciu kolejnych bakterii. Były zdumiewająco małe – ich średnica to 100 nanometrów. Tymczasem powszechnie przyjmowano, że samodzielna komórka musi mierzyć przynajmniej 140 nanometrów. Tylko wtedy da się w niej upakować niezbędne do życia minimum DNA z białek. Jednak nanobakterie, które obserwowano pod mikroskopem w latach 80. XX w., były mniejsze, a mimo to rosły i mnożyły się.
Naukowcy byli zafascynowani. Uznali, że nowo odkryte mikroby odpowiadają za zwapnienia w naczyniach krwionośnych, które pojawiają się np. w przebiegu miażdżycy. NASA dowodziło, że przyczyniają się do powstawania kamieni w nerkach astronautów. Posądzano je o związek z rozwojem choroby Alzheimera, schorzeń serca, prostaty, z niektórymi formami raka, a nawet z HIV. Miały być wszechobecne w ziemskich ekosystemach. Wydalane wraz z moczem dostawały się do środowiska, gdzie, jako bardzo lekkie, były porywane przez wiatr i unoszone w chmury, wraz z którymi przenosiły się w dalekie rejony i spadały na ziemię razem z deszczem.
Ta przerażająca wizja wszechobecnych zarazków napotkała jednak poważny opór. W 1998 r. panel Narodowej Akademii Nauk USA uznał, że nanobakterie są zbyt małe, by mogły być żywe. Parę lat później Jan Martel z Tajwanu i John Young z USA połączyli kawałki wapnia z osoczem krwi i uzyskali cząstki, które wyglądały identycznie jak nanobakterie. Potraktowali je taką ilością promieniowania, że zabiłoby to każdy organizm na Ziemi. Nanobakterie się nie zmieniły. Dla Younga był to dostateczny dowód na to, że ma do czynienia z formami nieożywionymi. Jego zdaniem to tylko fragmenty minerałów pokryte białkami i innymi cząsteczkami organicznymi. Właśnie ta otoczka mogła oszukiwać badaczy, którzy brali je za formy żywe.
Wirus z puszki Pandory
Również inne mikroby długo uważano za bardzo małe bakterie. Dopiero w 2003 r. zespół Jeana-Michela Claverie i Chantai Abergel z Aix-Marseille Université w Marsylii we Francji ogłosił, że to, co atakuje niektóre ameby, to w rzeczywistości ogromny wirus. Uczeni nadali mu łacińską nazwę Mimivirus. Jest on widoczny pod mikroskopem świetlnym i przewyższa rozmiarami niektóre małe bakterie – dorasta do 400 nanometrów. Jego DNA zawiera blisko 900 genów – wielokrotnie więcej niż np. 11 genów wirusa grypy. Badacze przypuszczali, że mimiwirus mógł powstać z organizmu jednokomórkowego, który stał się pasożytem i w trakcie ewolucji utracił większość genów. Możliwe nawet, że przodek mimiwirusa należał do nieznanej dziś grupy istot żywych.
Wkrótce megawirusy zaczęto dostrzegać coraz powszechniej. W 2013 r. ci sami francuscy badacze donieśli o odkryciu największej z dotychczas opisanych form. To również był pasożyt ameby – tak jednak duży, że widać go było pod mikroskopem jako czarną plamkę wielkości małej bakterii. Pandoravirus – jak go nazwano – był dwukrotnie większy od mimiwirusów.
Największe niespodzianki przyniosło badania jego DNA. Doliczono się, że koduje ono blisko 2,5 tys. białek! Jednocześnie tylko 7 proc. genów przypominało DNA znanych już form życia. To potwierdziło poprzednią hipotezę, według której megawirusy są potomkami nieznanej dziś gałęzi życia. Do trzech już znanych – bakterii, archeonów i eukariontów – należałoby więc dodać czwartą.
Potem duet Claverie i Abergel zainteresował się ‘ wieczną zmarzliną z Syberii, w której znaleziono nasiona sprzed 30 tys. lat. Rosyjskim uczonym udało się przywrócić do życia te prehistoryczne rośliny.
Francuzi poprosili o próbki tej zmarzliny, a gdy je otrzymali, zaczęli poszukiwać w nich wirusów. Zastosowali metodę „na przynętę” Na próbki wypuścili ameby i obserwowali, co będzie się z nimi działo. Gdy pierwotniaki zaczęły obumierać, we wnętrzu ich komórek badacze dostrzegli owalne struktury podobne do megawirusów. Miały jednak aż 1500 nanometrów długości, a więc były o połowę większe niż pandorawirusy! Z kolei ich genom był znacznie krótszy. „Ta wielka cząstka jest w zasadzie pusta. Nic już z tego nie rozumiemy” – komentował Jean-Michel Claverie.
Nowy megawirus otrzymał nazwę Pithovirus. Francuscy badacze ogłosili, że udało im się go aktywować po 30 tys. lat. To pokazuje, z jak zagadkowymi tworami mamy do czynienia. „Megawirusy mają pewne cechy istot żywych. Np. ich geny kodują enzymy odpowiedzialne za produkcję białek. Czegoś takiego nie mają żadne »klasyczne« wirusy. Odkrycie tych form otwiera więc na nowo furtkę do dyskusji nad definicją życia” – komentuje Katarzyna Kamińska.
Atak chorób z lodu
W środowisku mikrobiologów od dawna mówiło się o ryzyku związanym z takimi badaniami. Skoro udało się „odmrozić” jednego wirusa, to lada moment mogą nas zaatakować inne prehistoryczne zarazki. W końcu wieczna zmarzlina topnieje w wyniku globalnego ocieplenia. Ludzie też coraz częściej zapuszczają się w polarne regiony w poszukiwaniu ropy naftowej i gazu. Szukając surowców, mogą uwolnić z zamarzniętej ziemi jakąś pradawną chorobę.
Katarzyna Kamińska nie widzi powodów do paniki: „Nie znalazłam przesłanek, które by wskazywały na zagrożenie megawirusami dla człowieka.” Jej zdaniem większe niebezpieczeństwo grozi nam ze strony od dawna znanych wirusów. „Wirus grypy potrafi w ciągu trzech dni od rozpoczęcia terapii wyprodukować formy odporne na działanie leku” – mówi uczona. Badacze wciąż odkrywają jego nieznane wcześniej właściwości. Niedawno opisano nową wersję jednego z białek wirusa grypy, odpowiedzialną za wpływ na układ odpornościowy zaatakowanego organizmu. „Kiedy już wydaje nam się, że odpowiedzieliśmy na wszystkie pytania, pojawiają się kolejne. Sposób funkcjonowania wirusów kryje przed nami jeszcze wiele niespodzianek” – mówi Katarzyna Kamińska. Innymi słowy – mikro- świat jeszcze nieraz nas zaskoczy…
DLA GŁODNYCH WIEDZY:
- Międzynarodowe Centrum Biologii Molekularnej i Komórkowej – www.iimcb.gov.pl
- Zajęcia dla dzieci zainteresowanych mikro- światem – www.biocen.edu.pl
- Ciekawy blog o mikroświecie – www.mikroby.blox.pl
- Kompetentna strona o mikrobiologii – www.mikrobiolodzy.pl