«В будущем мы сможем глотать не таблетки, а сенсоры, наноинструменты и роботов»
Отрывок из книги Карин Мёллинг «Вирусы. Скорее друзья, чем враги» о природе вирусов и о том, можем ли мы узнать что-либо от них о продолжении жизни, будущем и конце существования человечества.
Синтетическая биология — кошки или собаки из пробирки
В 2002 году имя Экарда Уиммера из Стоуни-Брук, Лонг-Айленд, к большому удивлению учёного попало на первые полосы газет. Он успешно провёл полный синтез генома полиовируса в лабораторных условиях и опубликовал свою работу. Синтетический вирус обладал инфицирующими свойствами и был способен реплицироваться.
Тем не менее общественность не рассматривала это как проявление научного прогресса, однако неспециалисты и учёные сошлись во мнении и стали во весь голос протестовать против статьи: «Подобные статьи ни за что нельзя публиковать.», «Это же руководство для биотеррористов.».
Все реагенты выпускаются в промышленных масштабах без лицензии или каких-либо ограничений. Даже последовательность полиовируса можно свободно приобрести через интернет. Любой человек может воспроизвести такой синтетический вирус и распространить его как биооружие, поэтому открытие и вызвало столько сильное беспокойство у общественности.
Нет, безусловно, синтез вируса — задача нетривиальная. Но иногда даже учёные способны превратиться в биотеррористов, если их что-то не устраивает или они не могут получить грант на исследования, если они на что-то сердятся или сходят с ума. Однажды такое случилось, когда биотеррорист отправил по почте письмо со спорами сибирской язвы. Он был специалистом по сибирской язве, и его что-то сильно разозлило.
Полиовирус — вирус небольшой, его длина всего 7500 нуклеотидов. В целях упрощения процесса Уиммер синтезировал вирусный геном как ДНК, поскольку ДНК более стабильна, а желаемая РНК потом автоматически копируется внутри клетки. Между тем был полностью синтезирован даже чрезвычайно опасный коронавирус SARS (выделенный у летучих мышей и состоящий из 29 700 нуклеотидов).
Впоследствии его «гуманизировали» путём мутаций. Теперь такой изолят может передаваться от человека к человеку, что всегда опасно. Полиовирус сравнительно безвреден. А как быть с реконструированным синтетическим ретровирусом Phoenix, которому 35 млн лет?
Вирусы гриппа тоже можно получать синтетическим способом, и процесс этот протекает даже быстрее, чем в культуре клеток или при выращивании вируса внутри яиц, однако, несмотря на то, что ставится цель в будущем использовать синтетический вирус гриппа в качестве вакцины, вирусы могут мутировать в более опасные изоляты.
В целях получения вакцины предпринимаются попытки «деоптимизировать кодоны» вирусных последовательностей и вставить мутации (27 мутаций), чтобы замедлить репликацию вируса и снизить риски. Наиболее эффективные вакцины от полиомиелита, спасающие жизни пациентов, являются носителями только одной мутации. Возможна обратная мутация, в результате которой полиовирус вновь становится опасным диким вирусом.
И хотя человечество практически избавилось от полиовирусной инфекции, в соответствии с современными стандартами эта вакцина считается слишком опасной. Сейчас надлежащие регуляторные органы ни за что не одобрили бы её использование, и до сих пор предпочтение отдаётся менее эффективным, но более безопасным инактивированным вакцинам.
Билл и Мелинда Гейтс поддерживают новую программу искоренения полиовируса. Вакцины на основе синтетических вирусов, подвергшихся искусственной мутации, применяют не только против полиовируса, но и против вируса гриппа и других вирусов. Этот метод называется инжинирингом с использованием синтетических аттенуированных (ослабленных) вирусов (SAVE).
Синтетическая биология — молодая отрасль науки. Синтез настоящей живой клетки, самой мелкой мини-клетки — важнейший приоритет для учёного-провидца Крейга Вентера, который всегда немного опережает современников. Он начал с мельчайшей бактерии Mycoplasma (M) genitalium и шаг за шагом сокращал общее число генов, чтобы определить минимально необходимый набор незаменимых генов. Из 482 генов он смог избавиться от сотни, и осталось всего 382 гена.
Функции трети генов редуцированного генома неизвестны, примерно 206 генов родственны разным видам. Они регулируют репликацию и выживание. Вентер и его коллеги синтезировали ДНК in vitro, однако живая бактерия из неё не выросла. Синтетическую ДНК пришлось вставить в «выпотрошенную» (опустошённую) бактерию-хозяина. Это же обман. А что плавало внутри бактерии?
Журналисты дошли до того, что заявили о создании искусственной или синтетической жизни и даже назвали это «игрой в Бога». На самом деле, всё это неправда. Сам же Вентер более реалистично оценивал свою работу и описал свои усилия как «трансформацию», то есть попытку сделать из собаки кошку. Это явление получило название «трансплантация генома». Просто он вернул к жизни опустошённую бактерию, только и всего. Однако ни у кого не было сомнений в том, что это возможно.
И всё же ДНК бактерий примерно в сто раз крупнее ДНК полиовируса, в связи с чем это была не просто техническая задача. Вентеру пришлось изыскать способы инактивации защитных механизмов клетокреципиентов, рестрикционных эндонуклеаз, которые разрушают инородную ДНК. Вентер назвал полученные им существа «первыми существами, чьим родителем является компьютер». И вот в 2016 году появился первый действительно живой синтезированный организм.
Вентеру удалось получить первую минимальную бактериальную клетку из синтетического генома, состоящего из 531 тысячи базовых пар и 473 генов (438 белок-кодирующих и 35 РНК-генов), которая выращивается в лабораторных условиях. Эта клетка выглядит ужасно — она представляет собой лишённое симметрии и самоорганизации скопление шаров разного размера. Авторы назвали её «полиморфичной».
Однако функции 149 генов непонятны. Эта клетка реплицируется три часа, немного медленнее, чем исходный организм, то есть упущено что-то важное. Команда исследователей использовала новое понятие «транспозонный мутагенез», что в будущем приведёт к получению новых результатов. Авторы подчёркивают, что в реальности не существует «минимальной клетки», поскольку это зависит от окружения. Чем богаче питательная среда, тем проще клетка.
Как только функциональная синтетическая клетка получена, можно проводить исследование и изучать пути производства полезных продуктов, в частности лекарств или промышленных химических соединений, которые могут иметь различные сферы применения. Что такое жизнь? Химический аспект жизни в скором времени станет понятен, но много вопросов до сих пор остаётся без ответа.
Между прочим, первому автору этой новой эпохальной статьи Крейга Вентера Клайду Хатчисону 77 лет, в связи с чем у меня возникает вопрос: обязательно ли нужно было отправлять меня в отставку в 65 лет?
В 2014 году группа из 60 студентов программы бакалавриата была включена в работу по проекту «Создание генома» под руководством Джефа Боке из Нью-Йоркского университета. В ходе семилетнего исследования они соединяли небольшие ДНК-фрагменты синтетической ДНК до 1000 пар оснований, пока не получится. Вместо бактериальной клетки с синтетической ДНК они использовали дрожжевую клетку и вставляли новые синтетические гены.
Дрожжи — это эукариоты, и по существующей классификации они ближе к клеткам человека и гораздо сложнее, чем бактерии; они содержат ядро с 16 хромосомами, лишь одна из которых получена искусственным путём для замены хромосомы естественного происхождения. Клетка обладает способностью к росту; это свидетельствует о том, что пока учёные не ошибаются. Только 3% ДНК дрожжей имели синтетическую природу.
Кроме того, было включено около 500 мутаций, и 50 тысяч нуклеотидов из 317 тысяч были удалены в качестве меры безопасности на случай, если некоторые клетки дрожжей непреднамеренно высвободятся в окружение. Во-первых, сначала эта модель была разработана на компьютере, а затем проведён синтез — это десять лет тяжёлой работы.
Дрожжи «гуманизировали», так как гены человека не идентичны генам дрожжей, но у них достаточно много общего, чтобы встраиваться в метаболические и сигнальные пути. Мне это кажется удивительным. Это прорыв для будущих исследований, касающихся замены клеток человека. В будущем это окажется полезным при скрининге препаратов, предназначенных для лечения заболеваний человека. На этот счёт есть много точек зрения.
Кроме того, Вентер намеревается использовать бактерии, разработанные по спецзаказу для метаболических исследований, скрининга лекарств и производства биогаза. Это краеугольный камень технологии производства электроэнергии из бактерий. Помимо этого, Вентер предполагает использовать их для получения вакцин и лекарственных средств и разложения мусора. А ещё для производства продуктов питания.
Некоторые футуристические представления предусматривают использование искусственных клеток не только для выявления, но и для производства новых соединений, в частности артемизина против малярии. Новая вселяющая надежды область применения — «редактирование» генетических модификаций и лечение дефектных генов путём использования системы фагового происхождения CRISPR или Cas9.
Это могло бы способствовать борьбе с мультирезистентными бактериями, но может привести к началу разработки методики получения «искусственных детей». Генетические изменения эмбриональных клеток человека уже начались. Вместе с тем до сих пор действуют строгие ограничения, в соответствии с которыми запрещены манипуляции с зародышевыми клетками и механизмами наследственности.
Уже существуют довольно причудливые биологические переключатели, способные включать и выключать реакции в зависимости от раздражителей, например света, и этот вопрос не так уж футуристичен. В будущем мы сможем глотать не таблетки в готовом виде, а сенсоры, которые будут определять потребность, равно как и «продуцировать» лекарства, то есть осуществлять терапию по запросу в зависимости от потребности пациента.
В случае необходимости пациент может автоматически получать инсулин в нужном объёме. Инженерам, врачам и исследователям эволюции нужно объединить усилия, поскольку новая концепция носит мультидисциплинарный характер. И самое главное — результаты их усилий должны быть сопоставимы с тем, что реально создаёт природа.
За несколько миллиардов лет она разработала механизм равновесия и будет противодействовать неизвестным или непонятным факторам влияния. В настоящее время разрабатывается новое патентное законодательство, предусматривающее «патентную чистоту» биологических строительных блоков, но не методов их построения. Суть этого законодательства заключается в том, что гены естественного происхождения не подлежат патентованию, а искусственные могут быть запатентованы.
Тимоти Лу из Массачусетского технологического института (MIT) создаёт вирусы или фаги с генами, своего рода биологические машины, предназначенные для разрушения бактериальных слоёв, биопленок, которые демонстрируют в 500 раз более высокую устойчивость к терапии, чем свободно перемещающиеся микроорганизмы. Они обитают на больничном оборудовании — от катетеров до водопроводных труб.
Он также намерен переносить фаги в бактерии или клетки для получения соответствующих веществ. Возможно, однажды отпадёт необходимость в гиподермических иглах для инъекций инсулина и препарат будет подаваться автоматически. Кроме того, Тим Лу начал модулировать в кишечнике бактериоды, чтобы они могли чувствовать стимулы и реагировать на них. Он использует бактерии в качестве «жёстких дисков» (так их назвали журналисты) — носителей информации.
Стимулы обусловливают мутации, которые сохраняются до 12 дней, затем считываются и определяются количественно. Настанет ли день, когда будет разработан сигнал «прекратить есть»? Возможно, это окажется довольно простой задачей. Тим Лу разрабатывает «самовоспроизводящийся живой материал» — практически биологический 3D-принтер. Он нацелен на бактерии, обладающие множественной лекарственной резистентностью, что является насущной необходимостью.
Мы будем глотать сенсоры, наноинструменты, роботов, микроманипуляторы в надежде, что они всё сделают, — вот в чём заключается концепция. Нужно помнить, что вирусы чувствительны к стрессовым условиям, в частности герпесвирусы, которые «переползают» по нервным волокнам, активируя химические реакции, в том числе появление герпесных бляшек на губах. Таким образом, уже сейчас вирусы в особых случаях выполняют большинство этих функций. Они хорошие изобретатели и учат нас подражать им.
Более 50 лет назад Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии и человек, отличавшийся весьма оригинальным мышлением, всё это предвидел. Он говорил: «Я не понимаю того, что не в состоянии создать». Это утверждение Фейнмана заставит Крейга Вентера работать ещё в течение некоторого времени. Знаменательным предвидением Фейнмана стала его фраза «Проглотите врача». Неужели мы этого почти добились?
Что появилось сначала — вирус или клетка
Этот вопрос я подняла в 2013 году в Давосе (Швейцария) во время ежегодной встречи по РНК. Я разговаривала со своими коллегами, многими вирусологами и учёными, которые первыми стали заниматься РНК, вопросами химической эволюции и так далее. Они отвечали одно и то же — что написано в большинстве учебников, что говорили рецензенты всех моих статей в международных журналах и, возможно, читатели. Все они сразу же отвечали: сначала появилась клетка, поскольку вирус в ней нуждается.
Я была разочарована тем, что даже ведущие исследователи РНК и рибозимов приводили эти же доводы, несмотря на то, что рибозимы являются первым активными биомолекулами, которые могут реплицироваться, эволюционировать, расщеплять и присоединять. Рибозимы — основа рибосом, и поэтому они являются ключевыми молекулами при синтезе белка, а cirРНК и с недавнего времени piРНК — основные регуляторы генов.
Рибозимы — это вироиды, а вироиды относятся к вирусам. Тогда сначала появились вирусы, или, если несколько смягчить, они существуют практически с момента зарождения жизни на Земле и по сей день. Нас окружали другие учёные и молодые студенты, которые с любопытством слушали и были весьма удивлены.
Я говорила увлечённо, подчёркивала значение гигантских вирусов, многие из которых по размеру больше бактерий, так как они могут выполнять почти те же функции, что и живые клетки, — не так много, но близко к тому. Они могут быть носителями других вирусов. Они даже почти «видят». Вирусы крупнее многих бактерий и вирусы в качестве хозяев вирусов, до недавнего времени об этом никто не слышал. Не существует чёткого разделения между вирусами и клетками.
Так что же мы обсуждаем: вирусы или клетки? Студенты были удивлены, они никогда ранее об этом не слышали. На нашей планете существует 10³³ вирусов, это самый успешный биологический вид на Земле и самая крупная биологическая популяция на планете. Нет ни одного живого существа без вирусов. Действительно ли все организмы содержат вирусы? Есть ли они даже в нашем геноме? Готова поспорить, что да.
Поэтому вирусы, должно быть, существуют с момента возникновения жизни на Земле, и ни один другой возбудитель инфекционных заболеваний не смог этого добиться. Убедили ли слушателей или Тома Чеха мои «возбуждённые рассуждения»? Первыми были вирусы? Не знаю, согласились ли они со мной в итоге.
Есть и дополнительные доводы в пользу того, что «первыми появились вирусы». Проведённый анализ последовательности свидетельствует о следующем: несмотря на сходство некоторых вирусных генов с клеточными, вирусных генов больше, чем клеточных. Одним из ведущих исследователей роли вирусов в эволюции жизни на Земле был Луис Вильярреаль из Центра по изучению вирусов в Ирвайне (Калифорния).
Он называет такое доминирование вирусов на нашей планете «виросферой» и использует понятие «репликатор» применительно к прото-РНК, первой реплицирующейся РНК-содержащей биомолекуле. Последующее сопоставление последовательностей, которое провёл специалист по биоинформатике Евгений Кунин, подтвердило эту концепцию. Сначала возник мир вирусов, точнее — РНК-содержащих вирусов, после чего появились ретроэлементы, а потом ДНК-содержащие вирусы.
Учёные, открывшие гигантские вирусы, поместили их у основания древа жизни, но эти вирусы слишком велики для первых форм жизни на Земле, и не все допускают рассмотрение этого вопроса. И даже Феликс д«Эррель, учёный, открывший фаги, интуитивно отвёл им место у корней «древа жизни».
Такую эволюцию можно охарактеризовать как «восходящее развитие» — от простого к сложному, от мелких к крупным или как «гипотезу о том, что сначала появились вирусы», согласно которой вирусы первыми заселили царство пребиотиков.
Трудность заключается в том, чтобы признать, что первые вирусы могли обходиться без клеток, живя в нишах, «маленьком тёплом пруду», по определению Дарвина, или в каких-то полостях с неорганическими компонентами, а возможно, и глиной в качестве катализатора. Им нужна была энергия, но тогда ещё не было синтеза белка и клеток, поскольку для их образования требуется химическая энергия.
Новые методы химического анализа свидетельствуют о том, что три основных строительных блока жизни — аминокислоты, нуклеотиды и липиды — можно синтезировать в первичном бульоне Дарвина при поступлении энергии из окружающей среды.
Британский химик Джон Сазерленд может осуществлять однореакторный синтез всех трёх строительных блоков жизни в одной пробирке, и при этом стартовым условием является наличие простых предшественников, в частности синильной кислоты, фосфора, сероводорода и воды, а также ультрафиолетового излучения.
Вот так и могла начаться жизнь. Только после появления типичных клеток вирусы смогли изменить образ существования и превратиться во внутриклеточных паразитов — это хорошо известная тенденция в эволюционном развитии, определяемая средовыми условиями. Борясь за клеточные ресурсы, они сталкивались с конкурентами и создали ранние примитивные механизмы противовирусной защиты, клеточного иммунитета. Возможно даже, что вирусы принесли ядро в первые эукариотические клетки.
Я внесла изменения в определение вируса, расширив его по сравнению с определением из классических учебников по вирусологии, в соответствии с которым вирусы относятся к паразитам и нуждаются в клетках. Вместо этого я отнесла к «вирусам», или хотя бы к вирусоподобным организмам, вироиды, поли-ДНК-вирусы, плазмидные ДНК и даже прионы как «вирусы» или по крайней мере вирусоподобные структуры.
Предположу, что в этом случае получается, что вирусы охватывают всё, начиная с только РНК-содержащих и через РНК к ДНК до ДНК-содержащих при наличии или отсутствии белков, или только белка. Так что же такое вирус? Это объект, способный к репликации, развитию и взаимодействию. Его информация чаще всего «генетическая», но значение имеет даже структурная информация, поэтому я не включаю в определение понятие «генетический».
В настоящее время вирусы чаще всего являются паразитами, но изначально они таковыми не были. Мне это представляется логичным и простым, но не все с этим согласны, а мне не хотелось бы быть категоричной. Такой сценарий отражает последовательность событий, имевших место в процессе эволюции.
В итоге вирусы, бактерии, археи и симбиотические комбинации привели к образованию сложных клеток млекопитающих, и, как это ни удивительно, оказалось, что всё множество наших геномов произошло из древнего мира вирусов.
В другой концепции излагается иное развитие событий: сначала появились клетки, а потом вирусы. Вирусы возникли из клеток, крупные структуры стали мелкими, развиваясь «по нисходящей». Эту концепцию учёные принимают чаще всего, и согласно ей вирусы являются «сателлитами», возникающими вследствие «разрушения клетки», и называется она «теорией побега».
Являясь частью клеток, вирусы расщепляют и «крадут» клеточные гены. Часть ДНК с несколькими генами оказалась «завёрнутой» в белок или клеточные мембраны в качестве защиты и превратилась в вирус. Некоторые современные вирусы, особенно крупные ДНК-содержащие вирусы млекопитающих, например герпесвирусы, похоже, подтверждают эту теорию.
Опухолевые вирусы также «вербуют» свои онкогены из клетки (кроме того, они возвращают их, поэтому генетическая информация перемещается туда-обратно). В «гипотезе сокращения» описано это явление, вследствие которого вирусы возникают из свободных живых клеток.
Одна из проблем заключается в том, что генов недостаточно: пространство последовательности клеток невелико, а пространство вирусов огромно. Объём информации, которой «владеют» вирусы, больше объёма информации, получаемой ими от клеток. Слишком много вирусных генов не имеют клеточных аналогов.
Вирусы вариабельны и могут увеличивать сложность своих последовательностей при подверженной погрешностям репликации. И всё же это не объясняет астрономическое число генов. Природа хранит гораздо больше информации, чем в состоянии нести все существующие вирусы и тем более клетки.
Возникает важный вопрос: откуда взялась первая клетка? Первая и простейшая «мини-клетка», полученная Крейгом Вентером, чрезвычайно сложна, в ней содержится несколько сот генов и более 200 тысяч нуклеотидов. Какая огромная. Откуда появилась вся эта информация? Защитники гипотезы «сначала появилась клетка» не смогли это объяснить. А вирусы могут.
Фримен Дайсон в своей книге «Источники жизни» высказал гипотезу о двух источниках жизни на Земле, скомбинировав метаболизм и генетическую информацию, механизмы и программы, а также программное обеспечение, что ближе ко второму сценарию. Увеличение объёма информации, закодированной в генах, он объясняет дополнительной «беспорядочностью», что обозначается немецким словом Schlamperei.
Он говорит по-немецки, предпочитая слова из детской лексики, поскольку его жена из Берлина, у него пять дочерей и сын и ему пришлось научиться жить в состоянии беспорядка. Он имеет в виду вот что: в природе нет точности. То, что «почти хорошо», может становиться всё лучше и лучше. Природа пробует разные способы. Это расширяет генетическое разнообразие.
Макс Дельбрюк также использовал понятие «небрежность»: основой для инновации являются ошибки, неточности, метод проб и ошибок. Время от времени мы называем свою небрежность «креативным хаосом». Манфред Эйген называл это «квазивидами», в которых представлены многие виды одновременно — и те, что подходят, и те, что не подходят. Возможно, приемлемым оказалось бы понятие «облако». Прогресс является следствием ошибок. Даже Чарлз Дарвин отмечал важность ошибок.
А теперь я сформулирую своё кредо: подверженная ошибкам обратная транскриптаза — один из наиболее эффективных «изобретательских» методов. Это проявление «небрежности». Данный механизм работает «с ошибками». Показатель мутаций составляет 10 на 10 тысяч нуклеотидов из расчёта на один цикл репликации, поскольку при недостаточной точности обратной транскриптазы это приводит к появлению новой информации извне — как из газет.
Это огромный объём информации, который отмечается практически во всех биологических системах, включая бактерии, археи и дрожжи (нет — или уже нет (?) — в некоторых ДНК-содержащих вирусах или фагах). И всё это происходит в планктоне. Результаты экспериментов с образцами, собранными Tara Oceans, свидетельствуют о следующем: 13,5% белков планктона представлено ОТ по сравнению с 5% в геномах человека, но и в них ОТ является самым распространённым белком.
Почему же этого специфического фермента так много в одноклеточных эукариотах, обитающих в океане? Обилие обратной транскриптазы объясняется большим количеством ретротранспозонов. Неужели для появления инноваций и выживания необходимо наличие в океане такого большого количества ретротранспозонов? Действительно ли критерием выбора являются столь существенные изменения окружающей среды?
В соответствии с третьим сценарием вирусы отвечают за горизонтальный перенос генов (ГПГ). Затем гены и вирусы перемещаются горизонтально и используются для переноса генов. Нам известно о существовании горизонтального переноса генов в обоих направлениях — от вирусов к клеткам и от клеток к вирусам. Это вполне соответствовало бы большому количеству параллельных линий. Такого не могло быть на первых этапах существования жизни на Земле, но могло появиться позже.
Строго говоря, теоретически возможен ещё один вариант развития событий: вирусы и клетки формируются по большому количеству вертикальных линий, которые развиваются параллельно. В этом случае могло быть много источников.
Патрик Фортер из Парижа предположил наличие трёх источников; рибосомы-содержащие клетки он назвал рибовироклетками, которые продуцируют белки и вирусы. Вирусы стали «изобретателями» ДНК в трёх доменах жизни независимо друг от друга. А как возникли РНК-содержащие клетки?
Существовал ли «первичный», «примордиальный» или «протовирус» — единственный вирус-предок, от которого произошли все остальные вирусы, нечто похожее на «первичное растение» Иоганна Вольфганга Гёте? Такой вопрос поднимался часто. Это могла быть самая примитивная РНК в форме вироида, но у вироидов нет специфической последовательности, а РНК, состоящая из 50 нуклеотидов, обеспечивает 450 (или 10³⁰) возможностей, то есть сумму всех возможных последовательностей как квазивидов. Это не был настоящий первичный вирус.
Пространство последовательностей, сумма всех возможных последовательностей, названное «генным пулом», до сих пор не используется всеми биологическими системами на нашей планете. Мы только недавно узнали, что РНК можно без труда получить в пробирке, о чём свидетельствует опыт, проведённый Сазерлендом. Но это не РНК-содержащий пре-протовирус, имеющий всего одну последовательность.
В 2009 году в статье «Десять доводов в пользу исключения вирусов из древа жизни», опубликованной в Nature Reviews Microbiology, была сформулирована крайняя точка зрения. Эта статья с вызывающим названием спровоцировала выход десяти статей в ответ. И никто из десяти учёных не согласился с точкой зрения автора оригинальной статьи.
И тут вступаю я со своим личным заключительным апофеозом вирусов. Все органисты знают, что у Иоганна Себастьяна Баха после прелюдии следует фуга, которая заканчивается слиянием всех голосов и полным звучанием максимального числа труб — tutti. И вот я со своим tutti — резюме — применительно к вирусам.
Вирусы с самого начала существовали повсюду как первые способные к репликации биомолекулы, такие как вироиды. Они перепробовали всё, что можно, и эволюционировали по линии комбинаторной репликации и «взаимодействия компонентов», создав многообразие в форме квазивидов. Мы можем выстроить в одну линию все имеющиеся в настоящее время вирусы и определить большинство этапов их развития.
Это удивляет больше всего, поскольку практически все промежуточные виды и формы жизни вымерли. Геномы вирусов содержат в себе больше информации, чем все клетки, вместе взятые; кроме того, структура геномов вирусов более сложная, чем у всех других видов организмов, и может содержать всё — РНК или ДНК, одноцепочечные, двухцепочечные или и те и другие, линейные, кольцевые, сегментированные, структурированные, кодирующие и некодирующие.
По сравнению с таким разнообразием геномных структур наша двухцепочечная ДНК имеет на удивление простую конфигурацию. ДНК обеспечивает стабильную консервацию наиболее эффективных продуктов, увековеченных вирусами, которые являются самыми изобретательными экспериментаторами. ДНК не является стабильным «конечным продуктом», поскольку наличие транспозируемых вирусоподобных элементов гарантирует бесконечную эволюцию.
Кроме того, существует многочисленные модели репликации и регуляции вирусов. Сначала в вирусах, а позднее в клетках было обнаружено большое число механизмов — сплайсинг, обратная транскриптаза, «ножницы», сдвиг рамки считывания и так далее. Вироиды выполняют в клетках человека такое число функций, как сотни белков, например осуществляют репликацию, расщепление, присоединение, эволюционное развитие, защиту.
Размер вирусных геномов варьируется в пределах пяти порядков (примерно от 10 до 2,5 млн нуклеотидов), и при этом размер частиц колеблется в следующих пределах: от частиц размером с молекулу, если речь идёт о безоболочечных частях РНК, до гигантских вирусов размером с бактерию, а число генов колеблется от нуля до 2500.
Ноль генов у вироидов, которые «ещё» не способны кодировать белки и могут осуществлять большое количество функций без генетического кода, на основании чего можно предположить, что они существовали до появления генетического кода. Они были необходимы для образования белков и кода. Другая крайность — Pandovirus dulcis, у которого генов в пять раз больше, чем у многих бактерий.
Упоминалось о нескольких странных химерных вирусах: некоторые из них имеют форму странных реликтов или переходных форм и являются свидетельством промежуточных стадий или стадий развития. К ним относятся редкие ретрофаги или ретровироиды, а также странные белки с «забытыми» РНК-хвостами. Вирусы являются двигателем эволюции, дизайнером нашего генома и формируют наш организм.
Вирусы и клетки учатся друг у друга, обмениваются генами, рекомбинируют их в обоих направлениях, то есть мы имеем дело с коэволюцией. В последние годы у нас неоднократно вызывали удивление результаты наблюдений, согласно которым различные экосистемы — от тех, что обитают в кишечнике человека, до состава микробиома океана — мирно сосуществуют.
Я слушала доклад Эрика Карсенти об океанической экспедиции. Его удивило мирное сосуществование компонентов, составляющих микробиом Мирового океана. Меня же удивило, что 73% микробиома Мирового океана и кишечника человека, состоящего из вирусов и фагов, родственны с функциональной точки зрения и что самый распространённый белок — обратная транскриптаза.
Подверженная ошибкам обратная транскриптаза ретровирусов или ретроэлементов является самым щедрым поставщиком новой информации. Полученные свидетельства подтверждают, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов. Ретроэлементы могут заполнять 75% генома кукурузы и 50% генома риса.
Приобретя оболочку, они становятся подвижными и могут покинуть клетку. Обратная транскриптаза и РНКаза Н — самые распространённые белки в мире, и их структуры в ретровирусах, дрожжах, бактериях, планктоне, растениях или организме млекопитающих и человека практически ничем не отличаются.
Лично для меня удивительно, что я стала свидетелем открытия обратной транскриптазы и что до сих пор, по прошествии более 45 лет, это открытие сохраняет свою важность, что мои исследования расщепляющего фермента РНКазы привели меня к ретровирусам и позволили проследить весь эволюционный путь, а также иммунологические защитные системы. Вирусы создали противовирусную защиту. Интегрированные ретровирусы, ДНК-содержащие провирусы как клеточные гены легкодоступны для противовирусной защиты.
И те и другие используют один и тот же инструментарий. Вирусные компоненты создают противовирусные эффекты, такие как РНК-интерференция, сайленсинг, интерферон и иммуноглобулины, у которых схожие механизмы расщепления по принципу действия РНКазы.
Ретроэлементы являются двигателем эволюции. Вероятно, даже ядра эукариотов произошли от вирусов. Возможно, они сформировали эукариоты. И наконец, скорость репликации вируса в миллионы раз быстрее, чем при прочих способах. Вирусов огромное количество, и они успешны.
Итак, относятся ли вирусы к живым организмам? Почти. Скорее да, чем нет. Не существует чёткой границы между живыми и неживыми микроорганизмами. И на этом моя сольная партия на органе заканчивается.
«Скороходы» и «тихоходы»
Распределение вирусов различных видов носит довольно странный характер: РНКи ДНК-содержащие вирусы распределяются неравномерно. У растений преобладают РНК-содержащие вирусы (главным образом одноцепочечные РНК), а почти все обитатели бактериального мира фагов имеют двухцепочечную ДНК, аналогичную ДНК гигантских вирусов у водорослей или ДНК-содержащим вирусам архей. Но нужно признать наличие некоторых исключений из этих «правил».
В организме человека обитает много разных видов вирусов. Почему у растений РНК-содержащие вирусы, а у фагов ДНК-содержащие вирусы? Как возникают предпочтения у хозяина и у вируса? Мне никто не может этого объяснить, а в учебниках по вирусологии данный вопрос даже не рассматривается. Есть красочный постер, подготовленный Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV), показывающий таксономию вирусов. На нём изображён эллипс с сегментами для хозяев и их вирусов.
Такие постеры висят на дверях почти во всех вирусологических институтах всего мира и служат хорошим украшением. Я позвонила производителю, чтобы узнать, чем они руководствовались, разрабатывая этот постер. «Вкус и пространство», — был ответ; вкус художника, чувство красоты, эстетические соображения и никакого научного обоснования.
Возможно, вот оно, объяснение: если сначала на нашей планете появилась РНК, а потом ДНК, то ДНК-содержащих вирусов должно быть больше, чем РНК-содержащих. Возможно, ДНК-содержащие вирусы изначально были РНК-содержащими, а затем стали ДНК-содержащими, покинув мир РНК-содержащих микроорганизмов. РНК-содержащие вирусы — «тихоходы», а ДНК-содержащие — «скороходы». Подтверждается ли это?
Возможн
© vc.ru
