Planeta wirusów

Kiedy w XVII w. holenderscy ogrodnicy pompowali bańkę spekulacyjną, windującą ceny tulipanów na wcześniej niewyobrażalne poziomy, nie wiedzieli, że cała ta misterna konstrukcja ekonomiczna zależała tak mocno od mikroskopijnych cząstek zakaźnych.

Dziesięć tysięcy guldenów – takie ceny potrafiły osiągać tulipanowe cebulki na aukcjach. Za tę sumę można było kupić czterysta świń albo sto ton pszenicy. Najcenniejsze były odmiany tulipanów określane jako variegata – o intensywnie zabarwionych płatkach przetykanych nieregularnymi, białymi smugami. Zawrotność ich cen podbijał fakt, że taka smugowatość najwyraźniej wymykała się umiejętnościom najzdolniejszych ogrodników: nikt nie potrafił wytłumaczyć, dlaczego ta właśnie cecha była tak kapryśna i pojawiała się z pozoru przypadkowo w całych partiach tulipanów. Co więcej – próby rozmnożenia smużystych tulipanów z nasion kończyły się niepowodzeniem. Wyrastały z nich zawsze typowe, barwne i pozbawione pasów rośliny. Cebulki tulipanów odmiany variegata były jednocześnie słabsze, jakby schorowane, bardziej wrażliwe na niekorzystne warunki uprawy.

Dopiero w pierwszej połowie XX w. udało się zidentyfikować prawdziwą przyczynę wyjątkowości bezcennych tulipanów. Odpowiadał za nią wirus mozaiki tulipanowej, reprezentant sporej grupy wirusów wywołujących u zainfekowanych roślin charakterystyczne niedobory chlorofilu, dające efekt smużenia lub bladej mozaiki na liściach czy kwiatach. Mozaika tulipanowa przenosi się między roślinami za pośrednictwem mszyc pasożytujących na sokach roślin, co wyjaśnia niemożność uzyskania pasiastych kwiatów z nasion (wirus nie przenika do rosnącego, ukrytego w nasieniu, zarodka). Wirus odpowiadał również za mniejszy wigor tulipanowych cebulek.

Holenderska „gorączka tulipanowa” to zaskakujący przykład powiązań między ewolucją biologiczną i kulturą człowieka. Wirusy mają jednak znacznie bardziej fundamentalny wpływ na życie na Ziemi, niż sądziliśmy w przeszłości. Dopiero zaczynamy odkrywać niesamowitą różnorodność wirusów, ich miejsce w sieci powiązań łączących poszczególne elementy biosfery oraz wpływ na wielkoskalowe procesy zachodzące na Ziemi. Czas również zapomnieć o dominującej „epidemiologicznej” reputacji wirusów. Choć kojarzymy je przede wszystkim z całą gamą mniej lub bardziej poważnych chorób ludzkich, wirusy są, jak się okazuje, najliczniejszymi, a przy tym kluczowymi czynnikami biologicznymi na Ziemi. Wszystko wskazuje na to, że fundamentalne procesy kształtujące funkcjonowanie biosfery kontrolują byty nieprzynależące nawet do świata ożywionego.

Pasożyt doskonały

Niełatwo jest objąć wirusy jednym, ogólniejszym rzeczownikiem – tak, by mogły znaleźć się w towarzystwie bakterii, grzybów, zwierząt i innych mieszkańców naszej planety. Nasuwa się słowo „organizm”, które stosujemy powszechnie do opisywania bytów ożywionych. Problem w tym, że wirusy nie wykazują niektórych fundamentalnych cech, które przypisujemy wszystkiemu temu, co zwyczajowo określamy mianem „organizmu”.

Owszem – potrafią się „rozmnażać”: produkować swoje kopie, kluczowe dla pasożytniczego trybu życia wirusów. Podlegają również ewolucji drogą doboru naturalnego – co dla wielu biologów jest najbardziej fundamentalnym wyznacznikiem bycia organizmem żywym. Zdolność wirusów do mutowania (spontanicznego nabywania losowych zmian w swoim materiale genetycznym) i przekazywania tych mutacji poprzez tworzenie swoich kopii jest jednym z głównych problemów, jakie przed producentami szczepionek stawiają np. wirus grypy czy rinowirusy odpowiedzialne za jesienny katar. Zdolność do spontanicznego zmieniania swojej struktury oraz rozprzestrzeniania nowych wariantów sprawia, że wiele wirusów to „ruchome cele” szczepionkowe – zaprojektowanie skutecznej szczepionki przeciwko nim jest trudne, bo nieustannie zmieniają one swoje właściwości.

Rozmnażanie i ewolucja to jednak nie wszystko. Po odsunięciu na bok replikacyjnej natury wirusów nie pozostaje nam praktycznie nic, co pozwoliłoby zaklasyfikować je jako organizmy żywe. Wirusy nie posiadają własnego metabolizmu: ich cząstki nie prowadzą samodzielnie żadnych procesów biochemicznych. Nie są one również zorganizowane jak komórki żywe – wirusy są tworami pozbawionymi struktury komórkowej i bardziej przypominają misterne nanoroboty, przygotowane do infekowania swoich ofiar i replikacji, ale już nie do odżywiania się, przemieszczania czy reagowania na bodźce. Produkcja cząstek wirusowych w procesie replikacji bardziej przypomina składanie miniaturowej maszyny niż rozmnażanie, jakie znamy ze świata roślin czy zwierząt – stąd też biolodzy preferują w odniesieniu do wirusów termin „namnażanie”.

I wreszcie cecha najbardziej fundamentalna: cząstki wirusowe bez swoich gospodarzy są jedynie biernymi grudkami białka i kwasów nukleinowych. Są nieaktywne, statyczne – martwe. Ich dynamika ujawnia się dopiero, kiedy dostaną się do wnętrza komórek swoich gospodarzy – gdzie uaktywniają się i „nakręcają” produkcję swoich kopii. Wirusy są więc pasożytami tak doskonałymi, że w swojej pasożytniczej specjalizacji w gruncie rzeczy przestały żyć. Takie postawienie sprawy mogłoby jednak mieć rację bytu tylko wtedy, jeśli założymy „wtórne” pochodzenie wirusów, oparte na postępującej degeneracji i specjalizacji ich żywych przodków. Czy takie pochodzenie wirusów jest w ogóle możliwe?

Wirusowe wykopaliska

Odtwarzanie historii ewolucyjnej wirusów poważnie utrudnione jest przez ich ulotność. Wirusy mają z reguły rozmiary wielokrotnie mniejsze niż komórki bakteryjne i złożone są z cząsteczek nieulegających fosylizacji (skamienieniu): białkowa kapsuła wirusa oraz jego materiał genetyczny ulegają po dezaktywacji wirusa niemalże natychmiastowemu rozpadowi. Jedynym sposobem, w jaki możemy próbować odtworzyć ewolucyjną historię wirusów, jest więc porównywanie struktur wirusowych z najbliższymi im, jak się zdaje, formami bakteryjnymi oraz analizy genetyczne poszukujące w materiale genetycznym wirusów, bakterii i pozostałych organizmów tropów świadczących o wspólnej historii. Paleo- wirolodzy (badacze wymarłych przodków wirusów) swoje wykopaliska prowadzą więc głównie „molekularnie” – przesiewając współczesne genomy w poszukiwaniu wirusowych pozostałości, oraz in silico – prowadząc symulacje ewolucji prawirusów w wirtualnych ekosystemach.

Pewne wskazówki co do pochodzenia wirusów wynikają z istnienia prostszych niż wirusy cząstek zakaźnych. Choć wydaje się to niemożliwe – biologia naprawdę zna patogeny o jeszcze prostszej budowie. Jednymi z nich są wiroidy – „gołe” kawałki RNA (kwasu rybonukleinowego), czyli niczym nieosłonięte fragmenty materiału genetycznego. W pewnym sensie są to wirusy pozbawione „płaszcza”. Potrafią one infekować rośliny i replikować się we wnętrzu ich komórek. Wiele wiroidów nie tylko wykorzystuje roślinne komórki jako fabryki swoich kopii, lecz także potrafi samodzielnie prowadzić proste reakcje biochemiczne. Takie „biochemicznie uzdolnione” cząsteczki RNA nazywamy rybozymami.

To, że niektóre wiroidy mają własności enzymatyczne, jest obserwacją potwierdzającą jedną z hipotez pochodzenia życia na Ziemi. Według tzw. hipotezy świata RNA pierwszymi replikatorami (cząstkami zdolnymi do tworzenia własnych kopii) na naszej planecie, jeszcze pozbawionymi budowy komórkowej, były właśnie autonomiczne cząsteczki RNA. Wiroidy mogą być pozostałościami tego świata RNA – pasożytami, które ewoluowały równolegle do bardziej złożonych protokomórek, a potem komórek. Z czasem niektóre z takich samodzielnych cząsteczek RNA „kradły” swoim gospodarzom białka, produkując osłaniające delikatny materiał genetyczny kapsydy – i dając początek pra- wirusom.

Trzy hipotezy

Za takim „koewolucyjnym” scenariuszem pochodzenia wirusów przemawia również odkrycie tzw. wirusów satelitarnych, w tym wirofagów. Wirusy satelitarne to szczególna grupa, której przedstawiciele do prawidłowej replikacji potrzebują współudziału innego, często blisko spokrewnionego wirusa. Na przykład wirus zapalenia wątroby typu D (lub delta) to osłonięty białkową otoczką kawałek RNA, przypominający wiroidy. Potrafi on zainfekować komórki wątroby, ale by przenieść się dalej, potrzebuje pomocy wirusa zapalenia wątroby typu B: to ten drugi wirus dostarcza wirusowi typu D białka do budowy kapsydu. Wirus typu D jest więc wirusem satelitarnym wirusa zapalenia wątroby typu B.

Znacznie ciekawsza zależność łączy wirofagi z ich wirusowymi gospodarzami. Wirofagi (nazwa oznaczająca dosłownie „pożeracze wirusów”) to wirusy pasożytnicze, uszkadzające inne wirusy! Wykorzystują one maszynerię replikacyjną tzw. wirusów gigantycznych (grupy wirusów szczególnie dużych, o rozmiarach zbliżonych do rozmiarów komórek bakteryjnych) i spowalniając ich replikację, same produkują swoje kopie.

Istnienie wirusów satelitarnych oraz wiroidów stanowi mocny dowód na wcześniejsze pochodzenie przodków współczesnych wirusów w stosunku do prekursorów organizmów komórkowych. Będąc pozostałością bardzo prostego „świata RNA”, wczesne wirusy najzwyczajniej nie potrzebowały bardziej zaawansowanych struktur i funkcji: ich pasożytniczy tryb życia oraz dostępność potencjalnych gospodarzy w postaci wczesnych prakomórek zapewniały im potrzebne do replikacji zasoby.

Największym problemem „hipotezy koewolucyjnej” jest wyjaśnienie mechanizmu, który doprowadził do „opłaszczenia” wczesnych wolnych cząsteczek prawirusowych białkami. Powstały więc konkurencyjne teorie, działające niejako wstecz i wywodzące wirusy z bardziej zaawansowanych i ewolucyjnie młodszych form życia. „Hipoteza ucieczki” zakłada, że wirusy powstały z tzw. skaczących elementów genetycznych (transpozonów), które obecne są we wszystkich niemalże komórkach żywych i mają zdolność spontanicznego wycinania się i wbudowywania w materiał genetyczny komórki. „Skaczące geny” najczęściej trzymają się swoich komórek, powodując problemy jedynie wtedy, jeśli po wycięciu się i wstawieniu w inne miejsce niszczą one jakiś ważny gen. Zdarza się jednak, że uciekają one poza swoją macierzystą komórkę – tacy uciekinierzy mogliby potencjalnie stać się wirusami. Nie jest jednak jasne, jak skaczące geny mogłyby zdobyć swój białkowy płaszcz.

Trzecią hipotezą starającą się wyjaśnić pochodzenie wirusów jest „hipoteza regresyjna”. Zakłada ona, że wirusy mogły powstać poprzez postępujące upraszczanie się wyspecjalizowanych wewnątrzkomórkowych pasożytów bakteryjnych, takich jak mikoplazmy czy riketsje. Są to bardzo proste, pozbawione wielu organelli komórkowych, bakterie rozmnażające się jedynie wewnątrz innych komórek żywych. Wirusy mogłyby więc powstać jako pochodne takich specjalistów – nie wiemy jednak, dlaczego żadne z obecnie znanych wirusów nie przypominają współczesnych bakteryjnych pasożytów wewnątrzkomórkowych.

Pada wirusami

W 2018 r. hiszpańscy badacze dokonali niezwykłego odkrycia. Zbierając próbki powietrza w hiszpańskich górach Sierra Nevada wykazali, że z nieba nad Hiszpanią – i, jak się okazuje, wszędzie na świecie – dosłownie pada wirusowy deszcz. Każdego dnia na każdy metr kwadratowy naszej planety spada około 800 mln wirusowych cząsteczek. Tworzą one „wiro- sferę” – warstwę ziemskiej atmosfery wzbogaconą o cząstki wirusowe, położoną niewiele poniżej pułapu rejsowego samolotów pasażerskich. Wirusy, które tam krążą, pochodzą przede wszystkim z rozpylanej nad oceanami wody morskiej. Będąc niewiarygodnie lekkimi, wirusy atmosferyczne przemieszczają się z łatwością między odległymi regionami naszej planety, transportując informację genetyczną na gigantyczne odległości i z prędkościami niedostępnymi organizmom żywym.

Ktoś mógłby spytać – skąd tak olbrzymie ilości wirusów biorą się w wodzie morskiej, by potem zasilać atmosferyczną „wirosferę”? Odkrycie pochodzenia tych wirusów stanowi z pewnością jedną z najważniejszych obserwacji w historii badania bioróżnorodności naszej planety. W połowie lat 90. ubiegłego wieku oceaniczni mikrobiolodzy, stosując wyrafinowane techniki mikroskopowe, odkryli nową gigantyczną w swojej liczebności grupę należącą w gruncie rzeczy do najdrobniejszego morskiego planktonu: bakteriofagi. Jeden mililitr oceanicznej wody zawiera około stu miliardów bakteriofagów, o rząd wielkości więcej, niż mamy w wodzie morskiej komórek bakteryjnych, i o dwa rzędy wielkości więcej, niż wynosi liczba pływających w mililitrze oceanu komórek planktonu eukariotycznego (glonów i pierwotniaków). Bakteriofagi to – mówiąc najprościej – pożeracze bakterii. Pasożytnicze wirusy atakujące komórki bakteryjne i sinice, replikujące się w ich wnętrzu i doprowadzające do rozpadu ich komórek.

Planetarni inżynierzy

Najpewniej wciąż bardzo niewiele wiemy o bakteriofagowym świecie i o wpływie tych najliczniejszych na Ziemi wirusów na funkcjonowanie planety – ale te fragmenty układanki, które mamy, dają obraz imponującego, wirusowego systemu kontroli ekologii planetarnej. Odpowiadając za śmierć 80 proc. wszystkich komórek bakteryjnych umierających w oceanach, bakteriofagi dosłownie sterują cyklami obiegu pierwiastków naszej planety. Poprzez zabijanie i wysyłanie w głębiny oceanu komórek bakterii pośredniczą w procesie wiązania węgla atmosferycznego – a więc kontrolują stężenie dwutlenku węgla w atmosferze.

Sterują również obiegiem azotu – w końcu niemalże wszystkie organizmy zdolne do wiązania azotu atmosferycznego i „wprowadzania go” do ekosystemów oceanicznych to bakterie i sinice! Wreszcie, przekierowują ogromne ilości materii organicznej zawarte w miliardach obumierających komórek bakteryjnych na dno oceanu, zapobiegając nadmiernemu użyźnianiu powierzchniowych wód oceanicznych. Najsłabiej zdefiniowane z biologicznego punktu widzenia, wciąż stojące „w rozkroku” między światem życia i nie-życia wirusy wyrastają więc na planetarnych inżynierów.

To wszystko to tylko czubek wirusowej góry lodowej! Dzięki swojej infekcyjnej uniwersalności – oraz pewnej niedbałości w replikowaniu swoich genów – wirusy bardzo często „podkradają” materiał genetyczny swoich gospodarzy i przenoszą go dalej. Takie wirusowe transfery genów mogły odpowiadać za jedne z największych innowacji w historii ewolucji (np. powstanie czworonożności u kręgowców). Do dziś widzimy jaskrawe ślady wirusowych ingerencji w naszych własnych ciałach. Na przykład centralne z punktu widzenia naszego układu nerwowego geny ARC (ważne m.in. w procesach konsolidacji wspomnień czy w modelowaniu nowych połączeń nerwowych w naszych mózgach) mogą przenosić swoje RNA między komórkami nerwowymi poprzez przypominające wirusy białkowe pęcherzyki. Nasz mózg, a być może również i inne zaawansowane ewolucyjnie cechy, możemy więc zawdzięczać nanoskopowym, nieuchwytnym replikatorom krążącym wokół nas.

Warto o tym pomyśleć, wciągając nosem wirusowy koktajl ziemskiej atmosfery czy sadząc w ogrodzie kolejną smugowatą odmianę tulipana. ©