Martwi altruiści

Amerykański mikrobiolog i noblista Salvador Luria określił wirusy jako „twory”. To chyba najlepsze słowo, jakie może przyjść do głowy, bo jak inaczej nazwać potencjalnie chorobotwórcze czynniki, które nie wykazują żadnych oznak życia? Wirion, czyli cząsteczka wirusa, nie rośnie, nie rozmnaża się, nie odżywia i nie prowadzi metabolizmu. Jego aktywność zależna jest od komórki gospodarza. Wirion ją infekuje, przejmuje nad nią kontrolę i wykorzystuje jej maszynerię biochemiczną do wytwarzania swoich kopii.

Najprostsze wirusy zbudowane są z dwóch elementów: materiału genetycznego i osłonki. Geny wirusa mogą być zapisane w cząsteczce DNA lub RNA – tych samych, które regulują biochemię żywych komórek. Wśród genów wirusowych znajdziemy zarówno takie, których sekwencja mniej lub bardziej odpowiada sekwencji genów występujących w infekowanych przez wirusy komórkach, jak i takie, które nie mają swoich odpowiedników w świecie ożywionym. Wśród tych ostatnich znajdują się geny najistotniejsze dla funkcjonowania wirusa.

Materiał genetyczny wirusów często ulega zmianom. Mogą to być subtelne mutacje, obejmujące pojedyncze elementy budujące informację genetyczną, ale mogą też zachodzić na szerszą skalę. Dzieje się to, gdy dwa typy spokrewnionego wirusa zainfekują tę samą komórkę. Wówczas wymieniają się fragmentami materiału genetycznego – co nazywamy rekombinacją. Oba typy modyfikacji genetycznej są motorem ewolucji wirusów, która może unowocześnić ich arsenał. Jak szybko może ona przebiegać, widzimy choćby po wirusie grypy, którego zmienność sprawia, że powinniśmy ponawiać szczepienia co roku.

Osłonki – albo inaczej: kapsydy – czyli drugi komponent wirionów, chronią materiał genetyczny. To po prostu płaszcz złożony z białek. Podjednostki, które go budują, mogą układać się na różne sposoby. Czasem tworzą wydłużone struktury, u innych wirusów przybierają mniej lub bardziej kuliste formy. Niektóre z nich zawierają dodatkowe elementy: helikalny ogonek czy dodatkowe włókienka, które od niego odchodzą. Choć wizualnie takie struktury przypominają elementy służące do poruszania, same wiriony nie potrafią się aktywnie przemieszczać. To, czy dotrą do celu, zależy od chaotycznych ruchów płynów (cieczy i gazów), w których się znajdują, zwanych ruchami Browna.

Koewolucja, ucieczka, regresja

Jedna z największych zagadek związanych z wirusami dotyczy ich pochodzenia. Istnieją na ten temat trzy główne teorie. Według pierwszej – „teorii koewolucji” – wirusy powstały z bulionu pierwotnego, czyli mieszaniny związków organicznych, która dała początek życiu na naszej planecie. Istniały tam jako jednostki zdolne do samoreplikacji, czyli tworzenia swoich kopii, w wyniku zachodzących samoistnie reakcji chemicznych.

Większość biologów jest zgodna, że pierwszymi takimi molekułami były cząsteczki RNA. Być może ich potomkowie zdołali rozwinąć umiejętność infekcji pierwszych komórek. Prawdopodobnie stało się to, kiedy ewolucja wykształciła już bardziej złożone struktury, czyli cząsteczki DNA i kodowane przez nie białka. Wtedy samowystarczalne cząsteczki RNA utraciły swoje właściwości. Uzależniły się od wewnętrznego środowiska pierwotnej komórki, która oferowała im pełen zestaw enzymów potrzebnych do powielania. Nie można jednak wykluczyć, że więź między tym, co ożywione, a wirusem zawiązała się na wcześniejszych etapach ewolucji życia.

Z kolei „teoria ucieczki” zakłada, że wirusy pochodzą od rozmaitych fragmentów materiału genetycznego obecnego w organizmach żywych, m.in plazmidów. Tak nazywamy rozsiane po komórce bakteryjnej cząsteczki DNA, które kodują m.in geny oporności na antybiotyki. Jednak przyjmując tę koncepcję musimy wykazać, że uniezależnione elementy genetyczne nabyły zdolność do tworzenia kapsydu. Częściej zakłada się odwrotny scenariusz. Twierdzi się, że to plazmidy powstały z wirusów, które utraciły geny kodujące potrzebne do stworzenia osłonki białka i rozpoczęły „nowe życie” wewnątrz komórek.

Trzecią z możliwych wersji wydarzeń opisuje „teoria regresji”. Mówi ona, że wirusy powstały z komórek, które utraciły większość informacji genetycznej. Takie komórki miałyby zachować jedynie te części, które były niezbędne do replikacji. Jeśli przyjmiemy, że ta teoria jest prawdziwa, to musiało to nastąpić w czasach bardzo pierwotnych komórek, jeszcze przed powstaniem rybosomów, czyli struktur komórkowych służących do syntezy białek zgodnie z przepisem zawartym w genach. To mogłoby tłumaczyć brak rybosomów u wirusów oraz ich obecność u innych pasożytów komórek.

Nieoczywista społeczność

Jak dotąd działanie wirusów ukierunkowane na zawładnięcie komórką żywego organizmu rozpatrywano raczej indywidualnie. Niewiele osób myślało o nich w kategoriach „społecznych” – być może dlatego, że nie spełniają one kryteriów organizmu żywego. Coś martwego trudno podejrzewać o złożone „zachowanie” grupowe.

Z drugiej strony wirusy zawierają przecież materiał genetyczny – a więc w teorii powinny działać zgodnie z logiką „samolubnego genu”, opisaną przez Richarda Dawkinsa w jego najsłynniejszej książce. Przyjmując tę perspektywę, na organizmy żywe powinniśmy patrzeć jako na swoiste „maszyny przetrwania” genów, które zostały wynalezione dlatego, że umożliwiają genom skuteczne tworzenie swoich własnych kopii.

Zgonie z koncepcją Dawkinsa zbudowanie żywego organizmu to tylko jedna z możliwych strategii przetrwania i powielania się „samolubnych” genów. Budowa cząsteczki wirusa – pasożytującego na organizmach – może być po prostu strategią konkurencyjną, wykorzystaną przez inne geny. A skoro tak, to jednak nie powinniśmy wykluczać możliwości spotkania także u wirusów bardziej złożonych zjawisk „społecznych”, obejmujących np. komunikację czy współpracę. Takie działania w obrębie grupy – powszechnie występujące w świecie ożywionym – są w końcu sprawdzonym sposobem replikowania się „samolubnych” genów.

Wewnątrz komórki

Poza komórką gospodarza cząsteczka wirusa nie różni się zasadniczo od ziarenka piasku unoszącego się na wietrze. Wszystko zmienia się, gdy materiał genetyczny intruza pojawi się wewnątrz ­żywej, prowadzącej przemianę materii komórki – np. bakterii. Wtedy to machina biochemiczna gospodarza zostaje wykorzystana przez faga (lub bakteriofaga) – jak nazywamy wirusy atakujące te mikroorganizmy. W jaki sposób się to dzieje?

W przypadku najlepiej scharakteryzowanego bakteriofaga T4 wygląda to następująco. Na początku taki wirus „szuka” odpowiednich cząsteczek na powierzchni bakterii, z którymi mógłby się związać. Gdy na nie natrafi, przyczepia się do powierzchni. Następnie nadtrawia ścianę komórkową mikroba, używając enzymów, które ma w swoim arsenale. Jednak wirus nie wchodzi do środka. Przez utworzony kanał wstrzykuje tylko swój materiał genetyczny, który czasem może przypominać kształtem DNA bakterii. Właśnie w tym momencie wirus, który nie ma własnych narzędzi do wytworzenia kolejnych pokoleń intruzów, musi skorzystać z aparatu komórkowego zainfekowanego mikroorganizmu. Kiedy mu się to uda, ma do wyboru dwie drogi infekcji. Pierwsza z nich nazywa się cyklem litycznym.

W jego trakcie po przejęciu metabolizmu bakterii wytwarzane są cząsteczki białka oraz materiału genetycznego wirusa. Z tych pierwszych powstaje osłonka. Po złożeniu obu elementów dochodzi do rozpuszczenia ściany komórkowej bakterii, co umożliwiają specjalnie wyprodukowane enzymy. Następuje pęknięcie całej komórki, czyli tzw. liza – od której pochodzi nazwa cyklu. Nowe pokolenie intruza zostaje rozrzucone dookoła i czeka na sposobność infekcji kolejnych komórek.

Druga z możliwych dróg inwazji komórki bakteryjnej jest z pozoru mniej agresywna. Nazywamy ją cyklem lizogenicznym. Początek wygląda tak jak w przypadku pierwszej wersji wydarzeń: przyczepianie wirionu do bakterii i wprowadzenie do niej materiału genetycznego. Ten zaś po dostaniu się do komórki przyłącza się do DNA bakterii. Mikrob nosi go w sobie, żyjąc dalej, jakby nic się nie stało. W trakcie podziałów komórkowych ukryta informacja genetyczna intruza zostaje powielona wraz z DNA bakterii i trafia do komórek potomnych. W sprzyjających warunkach środowiska geny wirusa mogą się uaktywnić i zniszczyć komórkę, wchodząc w cykl lityczny.

Podsłuchana rozmowa

O obu cyklach wiadomo już od dawna, ale przypuszczano, że wybór między jednym i drugim jest pasywny. Okazało się jednak, że po przejęciu dowodzenia nad bakterią konstruowane są również specjalne molekuły intruza, które są swoistą informacją pomagającą w komunikacji między wirusowymi pobratymcami. Za pomocą tych molekuł bakteriofagi dyskutują.

Jednym z niewielu opisanych przykładów takiej dysputy toczącej się nad wyborem strategii infekcji jest komunikacja między bakteriofagami phi3T, należącymi do rzędu Caudovirales, cechującego się, podobnie jak fag T4, wyrafinowaną budową (łac. cauda – ogon). Ich specjalnością jest infekcja bakterii Bacillus subtilis – pospolicie występującego w glebie mikroorganizmu, który rozkłada roślinne związki organiczne. Rozmowę po raz pierwszy „usłyszał” i zakomunikował w swoich badaniach zespół genetyka Rotema Soreka z Instytutu Naukowego ­Weizmana w Izraelu.

Jak przebiegała ta komunikacja? Pierwszym jej elementem jest cząsteczka zwana arbitrium. Jest ona peptydem, czyli związkiem zbudowanym z reszt aminokwasowych, podobnie jak białka, tyle że znacznie od nich krótszym – w tym przypadku złożonym z sześciu takich elementów. Jednak arbitrium nie od razu jest tak krótki. Manipulowana przez wirusa bakteria produkuje cząsteczkę złożoną aż z 43 elementów. Ta, podobnie jak wiele molekuł w organizmach, ulega docięciu do potrzebnej, funkcjonalnej długości. W tym przypadku dzieje się to na zewnątrz komórki bakterii, za sprawą odpowiedniego enzymu. Dopiero wtedy ten krótki peptyd może wejść do innych komórek bakterii. W dotarciu do ich wnętrza pomaga mu specjalna cząsteczka zwana transporterem. Gdy peptyd znajdzie się w bakterii, szuka partnera, z którym może się połączyć. Jest nim cząsteczką zwana AimR, która reguluje produkcję kolejnej cząsteczki – bardzo krótkiego RNA. Ta ostatnia promuje niszczenie komórki bakterii we wspomnianym cyklu litycznym.

W początkowych etapach infekcji arbitrium nie ma zbyt wiele. Wówczas AimR działa nieskrępowanie, wpływając pozytywnie na produkowany RNA, który promuje lizę komórki bakteryjnej. Z biegiem czasu infekcja postępuje, a wraz z nią produkcja wspomnianego peptydu. Ulega on akumulacji, aż do momentu, kiedy jego stężenie przekroczy poziom potrzebny do wiązania się z AimR. Taka usidlona molekuła nie może pobudzać produkcji RNA, a tym samym cyklu litycznego. Wirus wybiera drugą opcje – cykl lizogeniczny.

To bardzo ważna regulacja, ponieważ wirusy, odczytując informację przenoszoną przez arbitrium, dowiadują się pośrednio, że zdrowych komórek bakterii jest coraz mniej. Przełączenie cyklu pozwala zapobiec zabiciu całej populacji bakterii, która dzięki temu może się odrodzić i stać się gospodarzem dla kolejnych kopii intruzów.

Spisane na straty

Wirusy bywają również biernymi poliglotami. Potrafią nasłuchiwać innych języków. Przykładem jest fag infekujący Vibrio cholerae – bakterię, która wywołuje cholerę. Niedawne badania pokazują, że fag posiada w swoim materiale genetycznym informacje na temat tego, jak stworzyć „molekularne uszy”, zdolne do wyłapania informacji płynących między komunikującymi się bakteriami.

Nośnikiem tych informacji są cząsteczki z grupy zwanej autoinduktorami. Ich zadaniem jest kontrola zachowań grupowych mikrobów, wliczając w to produkcję toksyn czy hamowanie tworzenia przez bakterie skomplikowanych struktur komórkowych określanych jako biofilmy (to skupiska wielu komórek bakterii, w ramach których także zachodzą złożone zachowania „społeczne”). Fag może wykorzystać taką wychwyconą informację, by dostosować swoje zachowanie do tego, co dzieje się w najbliższym otoczeniu.

To nie koniec „ludzkich” odruchów wirusów. Potrafią one zachowywać się również altruistycznie – czyli działać dla dobra innych intruzów. Gdy istnieje taka potrzeba, mogą nawet poświęcić za nich swoje „życie”. Takie zachowanie zaobserwowano niedawno wśród wirusów atakujących bakterię Pseudomonas aeruginosa, żyjącą w glebie, wodzie i na roślinach. Taka ofiarność części bakteriofagów jest potrzebna, ponieważ na ich drodze do przejęcia komórki stoją różne przeszkody. Nie wszystkie łatwo jest pokonać. Należą do nich nie tylko stosunkowo proste rozwiązania, takie jak otoczka śluzowa bakterii, która pokrywa jej powierzchnię, ale również wymyślne mechanizmy biochemiczne, takie jak CRISPR-Cas.

Ta ostatnia nazwa wymieniana jest często w kontekście systemu inżynieryjnego, który umożliwia przeprowadzanie precyzyjnej edycji genów. Takie manipulacje dają nadzieję na terapię nieuleczalnych chorób. System ten wywodzi się z mechanizmu obronnego bakterii przed wirusami. Jego zadaniem jest niszczenie genów niechcianych gości – precyzyjne odcinanie ich od własnych genów bakterii. Aby zwalczyć silny opór bakterii, fagi wyewoluowały białka zwane anty-CRISPR. Cząsteczki te mogą blokować działanie tej skomplikowanej machiny obronnej.

Sęk w tym, że pomyślna inaktywacja systemu odporności bakterii wymaga odpowiedniego stężenia białek wirusa, które mogą powstrzymać działanie tej zasadzki. Część z intruzów musi więc poświęcić siebie wyłącznie w celu wyprodukowania pewnej puli cząsteczek zdolnych do blokowania tego mechanizmu obronnego. Na nic więcej nie będzie mieć czasu – zginie. Początkowo stężenie białek będzie zbyt małe, jednak z czasem, wraz z kolejnymi „samobójczymi” atakami wirusów, liczba wspomnianych cząsteczek będzie wzrastać. Wreszcie uda się zablokować działania bakterii i przejąć nad nią dowodzenie.

Terapie i podręczniki

Działania altruistyczne bakteriofagów, które giną, aby inne bakteriofagi mogły z powodzeniem zainfekować komórkę, tak naprawdę służą powieleniu tych samych genów wirusa. Może się to wydawać zaskakujące, dopóki nie uświadomimy sobie, że zarówno poświęcające się cząsteczki wirusa, jak i ich kopie, które na tym altruizmie korzystają, zawierają podobny lub identyczny materiał genetyczny (jest to zatem przykład tzw. altruizmu krewniaczego). Z perspektywy genu nie jest ważne, kto będzie jego nosicielem czy w jaki sposób zostanie przekazany. Istotne jest tylko, żeby ostatecznym rezultatem było jak najwięcej kopii.

Co ciekawe – i także zgodne z przewidywaniami koncepcji samolubnego genu – nie zawsze pomiędzy bakteriami a wirusami dochodzi do konfliktów. Czasem geny wirusowe współpracują z bakteryjnymi, np. warunkującymi oporność na antybiotyki. Te ostatnie, zamknięte w nowych cząstkach wirusa, wędrują z bakterii do bakterii, zwiększając prawdopodobieństwo ich przetrwania. Taka współpraca korzystna jest również dla genów fagowych. Przecież mikroorganizm, który zyskał niewrażliwość na dodatkową substancję (np. aplikowaną przez lekarzy), przeżyje, a w niej sam wirus, który będzie mógł swobodnie tworzyć kopie swoich genów.

Wykrycie molekularnej „mowy” wirusów nie tylko sprawia, że musimy uzupełnić nasze podręczniki do mikrobiologii o kolejne rozdziały, ale może również nieść ważne zastosowania medyczne, ułatwiając tworzenie terapii antybakteryjnych. W czasach, w których antybiotyki przestają działać (ponieważ bakterie ewoluują i uodparniają się na nie), takie poszukiwanie alternatyw jest konieczne. „Podsłuchując” komunikację wirusów, możemy dowiedzieć się czegoś więcej o ich śmiercionośnych dla mikrobów strategiach działania, a także odkryć słabe punkty w mechanizmach obronnych bakterii. Niektórych leków nie musimy wymyślać – przyroda już je za nas wynalazła. ©

CZYTAJ TAKŻE

EPIDEMII BĘDZIE WIĘCEJ: Naukowcy mają nadzieję, że wirus z Wuhan nie wywoła pandemii na skalę grypy, która przed stu laty zabiła kilkadziesiąt milionów osób. Ale podobne kryzysy będą się powtarzać coraz częściej >>>