Aby podjąć walkę z przeciwnikiem, najpierw należy go poznać. Poniżej znajdziesz przystępne wprowadzenie w świat wirusów.
W dobie globalnej epidemii mogłoby się wydawać, że na temat wirusów napisano w Internecie niemal wszystko. Ja jednak dalej mam wrażenie, że istniejące strony są albo zbyt hermetyczne albo zbyt uproszczone. Brakuje przystępnego, rzetelnego artykułu wyjaśniającego czym są wirusy, jak można z nimi walczyć i się przed nimi bronić. A przede wszystkim brakuje artykułu o tym, jak fascynującymi obiektami są wirusy; jak człowiek przejął kod genetyczny starożytnych wirusów i jak te mikroskopijne kulki materii, wymykające się definicji życia przyczyniły się do ewolucji człowieka. Zapraszam cię w podróż w niesamowity świat drobnoustrojów, w którym toczy się odwieczna wojna, a walczące strony zbroją się niczym mocarstwa atomowe. Na początek zajmiemy się odpowiedzią na pytania:
Czym są wirusy?
Wirusy zdecydowanie różnią się od organizmów żywych, ponieważ nie posiadają metabolizmu. Pozostawione same sobie, w warunkach zewnętrznych nie wykazują cech organizmu żywego: nie pobierają pokarmu, nie rozmnażają się i nie poruszają. Są zbiorem cząsteczek. Nie żyją i nie umierają (nie oznacza to jednak, że są niezniszczalne, można uszkadzać ich strukturę, przez co przestają stanowić zagrożenie). Wirusy jednak całkowicie zmieniają swoje oblicze, kiedy znajdą się w organizmie żywym. Wnikają do komórek, a następnie zaczynają je modyfikować. Od tej pory zainfekowana komórka będzie miała tylko jedno zadanie – replikować wirusa, produkować tysiące jego kopii, które następnie opuszczą komórkę i zaczną szukać nowego gospodarza.
Wirusy to pasożyty totalne, przy tym niezwykle precyzyjne i przebiegłe. Ich mechanizm reprodukcji jest niezwykły: wirus to nośnik materiału genetycznego, który zostaje umieszczony w komórce i doklejony do istniejącego tam DNA. Dzięki temu modyfikuje program komórki, przestawiając ją na produkcję swoich kopii. Innymi słowy, wirus zmienia informację genetyczną komórki, używając jej jako maszyny replikacyjnej.
Jak wyglądają wirusy?
Zacznijmy od bakteriofagów – wirusów atakujących bakterie:
Schemat budowy bakteriofagu
Bakteriofag przyczepia się do powierzchni bakterii i wstrzykuje materiał genetyczny znajdujący się w kapsydzie. Wygląda to mniej więcej tak:
Bakteriofag T4 atakujący bakterię E.coli (koloryzowany obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego TEM, źródło: webmagazine24.it)
Między tymi drobnoustrojami trwa odwieczna walka, w której wirusy zawsze są agresorami, a bakterie ofiarami. Wirusy stanowią czynnik kontrolujący populację bakterii i gdyby nie one, bakterie mogłyby rozwijać się w tempie wykładniczym. Są hipotezy mówiące o tym, że bez agresji wirusów, bakterie zamieniłyby się w rodzaj tzw. szarej mazi, która dosłownie zalałaby powierzchnię Ziemi, pochłaniając całe istniejące na niej życie. W tej walce obie strony nieustannie rozwijają nowe metody walki i obrony – wirusy bardzo szybko mutują, szukając optymalnych sposobów ataku, a bakterie wytwarzając coraz doskonalsze metody obronne. Uwieńczeniem tego procesu jest CRISPR – prawdziwy system obronny, w którym bakteria tworzy bazę danych wirusów, które ją zaatakowały, dzięki czemu umie rozpoznawać nowe ataki i je odpierać za pomocą specjalnego enzymu – nukleazy Cas9. Ten mechanizm jest tak dobry, że ludzie wykorzystują go w inżynierii genetycznej, do precyzyjnego wycinania fragmentów DNA i modyfikowania genomu. Metoda ta została nazwana CRISPR/Cas9 i warto ją zapamiętać, gdyż obecnie robi furorę w bioinżynierii, pozwalając na edycję pojedynczych genów.
Wracając do wirusów – te, które atakują zwierzęta, wyglądają inaczej. Elementy budowa możemy zobaczyć poniżej:
Budowa wirusa z osłonką lipidową na przykładzie ortomyksowirusa (koloryzowane zdjęcie z mikroskopu TEM, źródło: Wikipedia)
Oto kilka przykładów innych wirusów (źródło: livescience.com):
-
- Wirus grypy H1N1
-
- Wirus eboli
-
- Wirus zachodniego Nilu
Ich rozmiar mierzony jest w milionowych częściach milimetra, czyli w nanometrach [nm]. Najmniejsze z nich mają około 17 nm (cirkowirus świń), największe ponad tysiąc (Tupanvirus). Większość z nich jest wielokrotnie mniejsza od atakowanych komórek, a same wirusy są najmniejszym znanym organizmem (jeżeli oczywiście uznamy je za organizmy).
W jaki sposób wirusy atakują komórki?
Wirus, aby mógł przejąć aparaturę genetyczną komórki, najpierw musi się do niej dostać. Nie jest to proste – komórka oddzielona jest od środowiska błoną cytoplazmatyczną. Błona jest półprzepuszczalna – małe cząstki, takie jak tlen czy woda, mogą swobodnie migrować, jednak przemieszczanie się większych cząsteczek jest ściśle regulowany przez komórkę. Wirusy, chcąc dostać się do komórki, muszą wykorzystać ten system transportowy. Część z nich stapia się z błoną, część jest transportowana do wewnątrz, za pomocą takich procesów, jak endocytoza. Aby wirus mógł przeniknąć błonę cytoplazmatyczną, musi aktywować specjalny receptor na jej powierzchni dzięki czemu zostanie rozpoznany jako „swój” i otrzyma dostęp.
A tak wygląda to od strony wnętrza komórki:
Po wniknięciu do komórki, wirus uwalnia swój materiał genetyczny, który przejmuje kontrolę nad mechanizmem reprodukcyjnym komórki i wykorzystuje go do tworzenia swoich własnych kopii. Kolejne egzemplarze wirusa, czyli wiriony, opuszczają komórkę w procesie zwanym pączkowaniem (budding), wykorzystując błonę komórki do budowy własnej osłonki lipidowej. Wiriony infekują kolejne komórki, które zaczynają wytwarzać kolejne kopie i w ten sposób rozwija się infekcja. Następnie wirus wydostaje się z ciała gospodarza, na przykład drogą kropelkową. Miliony kopii wirusa ulegnie zniszczeniu, ale część z nich dostanie się do organizmu kolejnej osoby. Jeżeli wirus powtarza ten cykl wyjątkowo sprawnie, choroba którą wywołuje staje się wysoce zaraźliwa i, tak jak w przypadku koronawirusa SARS-CoV-2, może wywołać epidemię.
Prawdziwe mistrzostwo w tej sztuce osiągnął wirus odry, który początkowo rozwija się w płucach, atakując następnie układ odpornościowy. Kolejnym celem jest tchawica, skąd wirus wydostaje się z gospodarza. To bardzo efektywna metoda – każdy oddech powoduje wydostawanie się ogromnej ilości wirusów do powietrza. Współczynnik reprodukcji, mówiący o tym jak zaraźliwy jest dany wirus, dla odry osiąga wartość 14. Dla porównania: współczynnik dla koronawirusa zawiera się w przedziale 1,5 a 3,5 (choć niektórzy badacze twierdzą, że może sięgać nawet 6). Odra rozprzestrzenia się niezwykle szybko – jedna osoba jest w stanie zarazić 90% osób przebywających w tym samym pomieszczeniu i wystarczy do tego kilka minut. Na domiar złego, choroba atakuje układ immunologiczny, zakażając limfocyty T i B. To może doprowadzić do znacznego upośledzenia swoistej „pamięci” organizmu, przez co tracimy nabytą odporność na przebyte już choroby. Na całe szczęście istnieje skuteczna szczepionka przeciw odrze, jednak coraz silniejszy ruch antyszczepionkowy konsekwentnie zwiększa liczbę zachorowań w Polsce.
Historia ludzkości usiana jest wielkimi plagami, zarazami i globalnymi epidemiami, które zebrały krwawe żniwo w postaci milionów ofiar. Pandemia koronawirusa nie jest pierwszą i z pewnością nie ostatnią. Najlepiej obrazuje to poniższa infografika (źródło: Visual Capitalist):
Historia pandemii wraz z ilością ofiar (stan na 15 maja 2020 r.)
Nie wszystkie powyższe choroby były wywołane przez wirusy. Największe spustoszenie spowodowała bakteria – pałeczka dżumy. Jednak nie zmienia to faktu, że wirusy, tak stare jak samo życie, towarzyszyły ludzkości przez cały czas jej istnienia. Ich ślady możemy odnaleźć w nas samych – niezliczona ilość infekcji wirusowych odcisnęła piętno w naszych organizmach. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że:
Wirusy to część nas.
Szacuje się, że około 8 procent ludzkiego DNA stanowią pozostałości po starożytnych wirusach, które raz na jakiś czas infekowały komórki rozrodcze pewnej grupy kręgowców, do której należy człowiek – żuchwowców (Gnathostomata). W ten sposób informacja genetyczna była przekazywana przez pokolenia. 8 procent to relatywnie dużo – w jednej dwunastej twoje DNA pochodzi od wirusów, zwanych HERV – Human endogenous retrovirus (ludzkie endogenne retrowirusy). Wirusy w ludzkim genomie pojawiły się na skutek infekcji i mogą mieć negatywny wpływ na kondycję organizmu. Choć ich postać jest nieaktywna, to jednak w wyniku działania czynnika stresowego, takiego jak promieniowanie jonizujące lub UV, działanie hormonów steroidowych lub infekcje innych wirusów (na przykład wirusa Epsteina-Barra czy wirusa grypy) mogą ulec wybudzeniu. Tak aktywowane wirusy mogą prowadzić do wielu zaburzeń, z chorobą nowotworową włącznie. Nie oznacza to jednak, że organizm nie nauczył się wykorzystywać niezwykle przebiegłego kodu genetycznego wirusów dla własnych celów. Rewelacyjna zdolność wirusów do integracji z organizmem żywym i oszukiwania systemu immunologicznego została wykorzystana przez ssaki do prawidłowego rozwoju łożyska. Organizm wykorzystuje immunosupresyjne własności białek HERV, dzięki czemu płód nie zostaje odrzucony przez układ odpornościowy, a także używa HERV do walki z innymi wirusami, które go atakują (żródło: Sekwencje pochodzenia retrowirusowego w genomie człowieka. Ludzkie endogenne retrowirusy).
Wirusy, które nas zamieszkują, to ślad odwiecznej walki, toczącej się niemal od początku życia organicznego. Wirusy – pasożyty idealne, przepuszczają kolejne ataki, a nasz układ odpornościowy niezmiennie je odpiera. W trakcie tej odwiecznej wojny wchłonęliśmy część przeciwnika i choć to problematyczny towarzysz, nauczyliśmy się go wykorzystywać do własnych celów.
O tym, jak się chronić przed kolejnymi inwazjami w kolejnej części naszego cyklu o pandemii.