Погоня за мельчайшими организмами: как мир узнал о вирусах

Роберт Кох, обнаруживший бактерии туберкулеза, сибирской язвы и холеры, описал ее в трех «постулатах». Чтобы мы могли назвать микроорганизм возбудителем какой-то инфекции, он (1) должен постоянно встречаться в организме больных ею, (2) должен быть изолирован и выращен в чистой культуре, при заражении которой (3) здоровый человек заболеет. Так действовали и будущие первооткрыватели вирусов, исследуя некоторые тогда еще плохо понятные инфекции.В 1879 году немецкий агроном Адольф Майер получил заказ на исследование мозаичной болезни табака, и стал действовать по хорошо зарекомендовавшей себя схеме. Для начала ученый показал, что это действительно инфекция, и жидкий экстракт из больного растения заражает здоровое. Однако на втором шаге работа дала сбой: отделить клетки от жидкости обычным способом – пропустив ее через бумажный фильтр, – не удалось. Никаких бактерий или грибков не было видно и при рассматривании экстракта через микроскоп.

Эти результаты были опубликованы в 1886 году и весьма заинтересовали российского ботаника Дмитрия Ивановского, который также занимался болезнями табака. Он воспроизвел работы Майера, используя самые совершенные на тот день керамические фильтры – «свечи Шамберлана», которые были изобретены одним из самых заметных учеников Пастера.

Жидкость в них пропускалась сквозь каолиновую глину, размеры пор в которой (0,1 – 1 мкм) меньше, чем клетки бактерий, поэтому они оседают на фильтре, как макароны, откинутые на дуршлаг. Однако и свечи Шамберлана с задачей не справились. Прошедшая через них жидкость выглядела стерильной и не портилась со временем, но оставалась опасной для растений. В докладе, представленном в 1892 году, Ивановский предположил, что таинственный носитель вируса – это, скорее всего, токсин, который выделяют болезнетворные бактерии и который остается в растворе даже после самой аккуратной фильтрации.

Аналогичные опыты с вирусами мозаичной болезни и свечами Шамберлана чуть позже провел микробиолог из Нидерландов Мартин Бейеринк. Насколько известно, о работах Ивановского он не знал – тем более что и вывод сделал совершенно другой. Бейеринк предположил, что в отфильтрованном растворе сохраняются непосредственно носители инфекции, слишком крошечные для того, чтобы задерживаться глиной. Впрочем, его представления о природе этих инфекционных агентов были еще очень далеки от современных.

Бейеринк считал их некими полужидкими сущностями и описывал как «живую заразную жидкость» (contagium vivum fluidum), а позднее – просто как «яд» (virus). Тем не менее, концептуальный шаг был сделан, и благодаря Бейеринку ученые осознали особую природу вирусов, как неклеточных возбудителей. Поэтому именно с его работ, представленных в 1892 г., закончилась предыстория вирусологии и началась ее история.

Юбилейная статья, вышедшая в 1992 г. в Journal of Virology, воздает должное и российскому, и нидерландскому ученым, основавшим новую науку. Однако второй и, пожалуй, не менее важный шаг к ней был сделан еще несколько лет спустя, когда немецкие бактериологи Фридрих Лёффлер и Пол Фрош с помощью того же фильтра показали вирусную природу ящура – опасной болезни сельскохозяйственных животных, иногда поражающей и человека.

Во-первых, это было первое доказательство того, что вирусы способны поражать и животных. Уже вскоре – в 1900-1901 гг. – был обнаружен и первый вирус человека, которым стал возбудитель желтой лихорадки. А во-вторых, Лёффлер и Фрош пошли дальше Ивановского, дальше Бейеринка и предположили, что вирусы не являются жидкими, а представляют собой особые частицы невероятно крошечных размеров.

Уже тогда вирусология развивалась впечатляющими темпами – к середине 1930-х была установлена природа множества болезней, доказано участие вирусов в развитии некоторых форм рака, были открыты вирусы бактерий (бактериофаги), началось использование лабораторных животных для исследований. Было установлено, что вирусы содержат только нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) и белки. Но только в 1939 г. гипотеза Лёффлера и Фроша получила окончательное и стопроцентное подтверждение.Германские ученые Хельмут Руска, Густав Коше и Эдгар Пфанкух использовали новинку того времени – электронный микроскоп – и получили первые фотографии вируса. Им оказался возбудитель все той же табачной мозаики, с которой и началась вся эта история. Снимки были опубликованы в журнале с обычным непроизносимым названием Naturwissenschaften – «Естествознание». Вот одна из этих картинок – а для наглядности рядом мы приводим снимок с более сильным увеличением, сделанный уже в наши дни.

Вирус – это неклеточный инфекционный организм. Все они очень разные, имеют отличающуюся друг от друга форму и структуру. В центре вирусов всегда находится генетический материал – нуклеиновая кислота, которая может быть двух видов ДНК или РНК. Вокруг материала располагается капсид – специальная белковая структура, которая защищает вирусный организм и участвует в поражении клеток.

Некоторые вирусы устроены более сложным образом, например, покрыты суперкапсидом, который выступает липидной оболочкой, защищающей организм от внешних повреждений. А вот у бактериофагов, вирусов, которые поражают бактерии, и вовсе другое устройство – у них есть головка в виде многогранника и стержневидный отросток.

Американский вирусолог Дэйвид Балтимор выделил 7 видов вирусов, основываясь на типах геномной нуклеиновой кислоты и способах ее репликации (так называется процесс самовоспроизведения нуклеиновых кислот, генов, хромосом). 

Такие вирусы для репликации (создания своих копий) попадают в ядро клетки, потому что им необходима клеточная ДНК-полимераза. Кроме того, их распространение зависит от стадии клеточного цикла – иногда такие вирусы могут приводить к делению клетки, которое влияет на раковое перерождение.

Такие вирусы создают копии (реплицируют) геномную ДНК в ядре и в процессе образуют интермедиат — двуцепочечную ДНК.

Представители этого вида вирусов повторяют геномную РНК в цитоплазме и используют полимеразы хозяина в меньшем объеме, чем ДНК-вирусы. 

Два типа этих вирусов отличаются тем, что их репликация не зависит от стадии клеточного цикла. Эти мельчайшие организмы считаются наиболее изученными, например, к ним относятся всем известные коронавирусы, вирус клещевого энцефалита, вирус бешенства.

Вирусы этого типа превращают (+)РНК в ДНК с помощью специального фермента – обратной обратной транскриптазы, а репликация происходит с помощью полимераз клетки хозяина. Самый известный и хорошо изученный вирус этой группы – ВИЧ (вирус иммунодефицита человека).

К этому типу относится совсем небольшая группа вирусов, каждый из которых имеет двухцепочечную геномную ДНК. Самый известный вирус этой группы – вирус гепатита В.

Сегодня вирусология – это фундаментальная наука, которая изучает ультрамикроскопические организмы. Кроме того, она исследует природу этих вирусов, их происхождение, химический состав, морфологию, способы размножения и то, как вирусы взаимодействуют с клеточными организмами. Особое внимание вирусологи сегодня уделяют разработке способов предупреждения, диагностики и лечения вирусных заболеваний. 

В современной вирусологии выделяют три раздела:

Новое направление, которое интересует вирусологов – это экология вирусов. Ученые разрабатывают методы, с помощью которых можно оценивать количество групп вирусов в природных образцах и следить за их развитием.

Отдельное внимание вирусологи обращают на изучение вирусов, которые способны вызывать заболевания у человека и животных. Например, сегодня уже созданы вакцины против полиомиелита, оспы, бешенства, гепатита В, кори, желтой лихорадки, энцефалитов, гриппа, паротита, краснухи, а также вируса папилломы, который может вызывать развитие одного из видов рака. Вирусологом удалось полностью ликвидировать натуральную оспу. Сегодня ученые стремятся к уничтожению полиомиелита и кори, работают над способами профилактики и лечения гепатитов и СПИДа (иммунодефицита человека).

Большая часть сил вирусологов сконцентрирована в медицине и ветеринарии, однако важную роль наука играет, например, и в сельскохозяйственной сфере. Так, меристемные технологии, изобретенные учеными, позволяют вырастить растения, полностью свободные от вирусов. Кроме того, используя вирусы, ученые смогли получить новые бионеорганические материалы: нанотрубок, нанопроводники, наноэлектроды, наноконтейнеры, для инкапсидации неорганических соединений, магнитные наночастицы и неорганические нанокристаллы строго контролируемых размеров.