Er virusene levende?


Redaktørens merknad: Denne historien ble opprinnelig publisert i desember 2004-utgaven av . I en episode av den klassiske 1950-tallet tv-komedie The Honeymooners , Brooklyn-bussjåføren Ralph Kramden, forklarer høyt til sin kone Alice: "Du vet at jeg vet hvor lett du får viruset." For et halvt århundre siden hadde selv vanlige folk som Kramdens hatt litt kunnskap om virus - som mikroskopiske sykdomsfremkallere. Like

Redaktørens merknad: Denne historien ble opprinnelig publisert i desember 2004-utgaven av .

I en episode av den klassiske 1950-tallet tv-komedie The Honeymooners, Brooklyn-bussjåføren Ralph Kramden, forklarer høyt til sin kone Alice: "Du vet at jeg vet hvor lett du får viruset." For et halvt århundre siden hadde selv vanlige folk som Kramdens hatt litt kunnskap om virus - som mikroskopiske sykdomsfremkallere. Likevel er det nesten sikkert at de ikke visste nøyaktig hva et virus var. De var, og er ikke alene.

I løpet av 100 år har forskerfellesskapet gjentatte ganger endret sitt kollektive sinn over hva virusene er. Først sett som giftstoffer, da som livsformer, da biologiske kjemikalier, antas virus i dag som å være i et grått område mellom levende og nonliving: de kan ikke replikere alene, men kan gjøre det i virkelig levende celler og kan også påvirke oppførsel av sine verter dypt. Kategorisering av virus som ikke lever under mye av den moderne epoken av biologisk vitenskap har hatt en utilsiktet konsekvens: Det har ført til at de fleste forskere ignorerer virus i evolutionsstudiet. Til slutt begynner forskere å sette pris på virus som grunnleggende aktører i livets historie.

Komme til enighet
Det er lett å se hvorfor virus har vært vanskelig å pigeonhole. De ser ut til å variere med hver linse som brukes for å undersøke dem. Den første interessen for virus stammer fra deres tilknytning til sykdommer. Ordet "virus" har sine røtter på latin for "gift". På slutten av 1800-tallet innså forskerne at visse sykdommer, inkludert rabies og munn- og klovsyke, var forårsaket av partikler som syntes å oppføre seg som bakterier, men var mye mindre. Fordi de var klart biologiske seg selv og kunne spres fra ett offer til et annet med åpenbare biologiske effekter, ble virusene da antatt å være det enkleste av alle levende, genbærende livsformer.

Deres nedbrytning av inerte kjemikalier kom etter 1935, da Wendell M. Stanley og hans kolleger, på det nåværende Rockefeller-universitetet i New York City, krystalliserte et virus-tobaks mosaikkvirus - for første gang. De så at den besto av en pakke med komplekse biokjemikalier. Men det manglet viktige systemer som er nødvendige for metabolske funksjoner, livets biokjemiske aktivitet. Stanley delte 1946 Nobelprisen - i kjemi, ikke i fysiologi eller medisin - for dette arbeidet.

Ytterligere undersøkelser av Stanley og andre viste at et virus består av nukleinsyrer (DNA eller RNA) som er innelukket i et proteinbelegg som også kan skjule virale proteiner involvert i infeksjon. Ved den beskrivelsen virker et virus mer som et kjemisk sett enn en organisme. Men når et virus går inn i en celle (kalt en vert etter infeksjon), er den langt fra inaktiv. Den kaster sin frakk, binder sine gener og inducerer cellens eget replikasjonsmaskineri for å reprodusere inntrengernes DNA eller RNA og produsere mer virusprotein basert på instruksjonene i den virale nukleinsyren. De nyopprettede virusbitene samler seg, og flere virus oppstår, som også kan infisere andre celler.

Disse oppføringene er det som led mange til å tenke på virus som eksisterer ved grensen mellom kjemi og liv. Mer poetisk har virologer Marc HV van Regenmortel ved Universitetet i Strasbourg i Frankrike og Brian WJ Mahy av sentrene for sykdomsbekjempelse og forebygging nylig sagt at virus med sin avhengighet av vertsceller fører til "en slags lånt liv." Interessant nok, Selv om biologer lenge favoriserte visningen om at virus var rene kasser av kjemikalier, tok de fordel av viral aktivitet i vertsceller for å bestemme hvordan nukleinsyrer kodes for proteiner. Den moderne molekylærbiologi hviler faktisk på grunnlag av informasjon oppnådd gjennom virus.

Molekylære biologer fortsatte å krystallisere de fleste av de essensielle komponentene i cellene og er i dag vant til å tenke på cellulære bestanddeler - for eksempel ribosomer, mitokondrier, membraner, DNA og proteiner - som enten kjemisk maskineri eller de ting som maskinen bruker eller produserer. Denne eksponeringen for flere komplekse kjemiske strukturer som utfører livsprosessene, er nok en grunn til at de fleste molekylære biologer ikke bruker mye tid på å forvirre om virusene er i live. For dem kan den øvelsen virke som om man tenker på om de enkelte subcellulære bestanddelene er i live alene. Denne myopiske visningen gjør at de bare kan se hvordan virus koopererer celler eller forårsaker sykdom. Jo mer feiende spørsmål om virale bidrag til livets historie på jorden, som jeg vil ta opp kort tid, forblir for det meste ubesvarte og til og med uoppdaget.

Å være eller ikke være
Det tilsynelatende enkle spørsmålet om hvorvidt virus er i live, eller som studentene mine ofte spør, har antagelig antatt et enkelt svar alle disse årene, fordi det løser et grunnleggende problem: Hva er egentlig et liv? En presis vitenskapelig definisjon av livet er en unnvikende ting, men de fleste observatører vil være enige om at livet inneholder visse kvaliteter i tillegg til en evne til å replikere. For eksempel er en levende enhet i en tilstand som er begrenset av fødsel og død. Levende organismer antas også å kreve en grad av biokjemisk autonomi, som bærer de metabolske aktivitetene som produserer molekylene og energien som trengs for å opprettholde organismen. Dette nivået av autonomi er avgjørende for de fleste definisjoner.

Virus parasiterer imidlertid hovedsakelig alle biomolekylære aspekter av livet. Det vil si at de er avhengige av vertscellen for råmaterialene og energien som er nødvendig for nukleinsyresyntese, proteinsyntese, prosessering og transport og alle andre biokjemiske aktiviteter som gjør at viruset kan formere seg og spre seg. Man kan da konkludere med at selv om disse prosessene kommer under viral retning, er virus ganske enkelt nonliving parasitter av levende metabolske systemer. Men et spekter kan eksistere mellom det som absolutt lever og hva som ikke er.

En stein er ikke i live. En metabolsk aktiv sak, uten genetisk materiale og potensialet for forplantning, er heller ikke i live. En bakterie er imidlertid i live. Selv om det er en enkelt celle, kan det generere energi og molekylene som trengs for å opprettholde seg selv, og det kan gjengi. Men hva med et frø? Et frø kan ikke anses som levende. Likevel har det et potensial for livet, og det kan bli ødelagt. I denne forbindelse ligner virus mer frø mer enn de gjør levende celler. De har et visst potensial, som kan snuffes ut, men de oppnår ikke den mer autonome tilstanden av livet.

En annen måte å tenke på livet er som en fremvoksende egenskap av en samling av visse ikke-levende ting. Både liv og bevissthet er eksempler på fremvoksende komplekse systemer. De krever hver et kritisk nivå av kompleksitet eller samhandling for å oppnå sine respektive stater. En nevron av seg selv, eller til og med i et nettverk av nerver, er ikke bevisst - hele hjernekompleksiteten er nødvendig. Likevel kan en intakt menneskelig hjerne være biologisk levende, men ubevisst, eller "hjernedød". På samme måte er hverken cellulære eller virale individuelle gener eller proteiner i seg selv i live. Den enucleerte cellen er beslektet med tilstanden til å være braindead, fordi den mangler en full kritisk kompleksitet. Et virus også, klarer ikke å nå en kritisk kompleksitet. Så livet i seg selv er en fremvoksende, kompleks tilstand, men den er laget av de samme grunnleggende, fysiske byggesteinene som utgjør et virus. Nærmet seg fra dette perspektivet, kan virus, men ikke fullt levende, anses å være mer enn inert materie: de knytter seg på livet.

Faktisk, i oktober annonserte franske forskere fiendinger som illustrerer igjen hvor nært noen virus kan komme. Didier Raoult og hans kolleger ved Middelhavsuniversiteten i Marseille kunngjorde at de hadde sekvensert genomet av det største kjente viruset Mimivirus, som ble oppdaget i 1992. Viruset, omtrent samme størrelse som en liten bakterie, smitter amoeba. Sekvensanalyse av viruset viste mange gener tidligere antatt å eksistere bare i cellulære organismer. Noen av disse genene er involvert i å lage proteiner kodet av det virale DNA, og kan gjøre det lettere for Mimivirus å samordne vertscellereplikasjonssystemer. Som forskergruppen bemerket i sin rapport i tidsskriftet Science, utfordrer den enorme kompleksiteten til Mimivirus's genetiske komplement "den etablerte grensen mellom virus og parasittiske cellige organismer."

Påvirkning på evolusjonen
Debatter om å markere virus som levende fører naturlig til et annet spørsmål: Tenker på statusen for virus som levende eller nonliving mer enn en filosofisk øvelse, grunnlaget for en livlig og oppvarmet retorisk debatt, men med liten reell konsekvens? Jeg tror problemet er viktig, fordi hvordan forskerne ser på dette spørsmålet, gir sin tankegang om evolusjonens mekanismer.

Virus har sin egen, gamle evolusjonære historie, som dateres til selve opprinnelsen til mobillivet. For eksempel, noen viral-reparasjons-enzymer som beskytter og resyntetiserer skadet DNA, reparerer oksygenradikalskade og så videre, er unike for visse virus og har eksistert nesten uendret sannsynligvis i milliarder år.

Likevel holder de fleste evolusjonære biologer det fordi virus ikke er i live, de er uverdige til seriøs vurdering når de prøver å forstå evolusjonen. De ser også på virus som kommer fra vertsgener som på en eller annen måte rømte verten og kjøpte en proteinfrakk. I denne oppfatningen er virus flyktige vertsgener som har degenerert til parasitter. Og med virus som dermed blir avvist fra livets web, kan viktige bidrag de har gjort til opprinnelsen til arter og opprettholdelsen av livet, ikke bli kjent. (Faktisk er bare fire av de 1, 205 sidene i 2002-volumet Encyclopedia of Evolution viet til virus.)

Selvfølgelig nekter evolusjonære biologer ikke at virus har hatt noen rolle i evolusjonen. Men ved å se på virus som livløs, plasserer disse etterforskerne dem i samme kategori av influenser som for eksempel klimaendringer. Slike eksterne effekter velger blant individer som har varierte, genetisk kontrollerte egenskaper; de individer som er mest i stand til å overleve og trives når de står overfor disse utfordringene, fortsetter å reprodusere mest vellykket og dermed spre sine gener til fremtidige generasjoner.

Men virus utveksler direkte genetisk informasjon med levende organismer, det vil si innenfor selve livets web. En mulig overraskelse for de fleste leger, og kanskje også for de fleste evolusjonære biologer, er at mest kjente virus er vedvarende og uskadelig, ikke patogen. De oppholder seg i celler, hvor de kan forbli sovende i lange perioder eller utnytte cellens replikasjonsapparat til å reprodusere ved en langsom og jevn hastighet. Disse virusene har utviklet mange smarte måter å unngå deteksjon av vertsimmunsystemet. I hovedsak kan hvert trinn i immunforløpet bli endret eller kontrollert av forskjellige gener som finnes i ett virus eller et annet.

Videre kan et virusgenom (hele komplementet av DNA eller RNA) kolonisere sin vert permanent, legge til virale gener for å være vertskap og til slutt bli en kritisk del av vertsartens genom. Virus har derfor sikkert effekter som er raskere og mer direkte enn de av eksterne krefter som bare velger blant langsommere genererte interne genetiske variasjoner. Den enorme bestanden av virus, kombinert med deres raske replikasjons- og mutasjonsnivåer, gjør dem til verdens ledende kilde til genetisk innovasjon: de oppdager stadig nye gener. Og unike gener av viral opprinnelse kan reise, finne seg inn i andre organismer og bidra til evolusjonelle endringer.

Data publisert av International Human Genome Sequencing Consortium indikerer at et sted mellom 113 og 223 gener som er tilstede i bakterier og i det menneskelige genomet, er fraværende i velundersøkte organismer som gjær Saccharomyces cerevisiae, fruktflugten Drosophila melanogaster og nematoden Caenorhabditis elegans -Det ligger mellom disse to evolusjonære ekstremene. Noen forskere trodde at disse organismene, som oppsto etter bakterier, men før vertebrater, bare mistet de aktuelle genene på et tidspunkt i sin evolusjonære historie. Andre foreslo at disse genene hadde blitt overført direkte til menneskefamilien ved å invadere bakterier.

Min kollega Victor DeFilippis fra Vaccine- og genterapi-instituttet for Oregon Health and Science University og jeg foreslo et tredje alternativ: virus kan stamme fra gener, og kolonisere to forskjellige linjer, for eksempel bakterier og vertebrater. Et gen som tilsynelatende har gitt menneskeheten av bakterier, kan ha blitt gitt både av et virus.

Faktisk, sammen med andre forskere, Philip Bell av Macquarie University i Sydney, Australia, og jeg hevder at cellekernen selv er av viral opprinnelse. Adventen av kjernen - som skiller eukaryoter (organismer hvis celler inneholder en ekte kjernen), inkludert mennesker, fra prokaryoter, som bakterier - kan ikke tilfredsstillende forklares utelukkende av gradvis tilpasning av prokaryote celler til de ble eukaryotiske. Kjernen kan heller ha utviklet seg fra et vedvarende stort DNA-virus som gjorde et permanent hjem innenfor prokaryoter. Noen støtte til denne ideen kommer fra sekvensdata som viser at genet for en DNA-polymerase (et DNA-kopiende enzym) i viruset kalt T4, som infiserer bakterier, er nært beslektet med andre DNA-polymerasegener i begge eukaryoter og virusene som smitter dem. Patrick Forterre ved Universitetet i Paris-Sud har også analysert enzymer som er ansvarlige for DNA-replikasjon og har konkludert med at genene for slike enzymer i eukaryoter antakelig har en viral opprinnelse.

Fra enkeltcellede organismer til humane populasjoner påvirker virusene alt liv på jorden, og bestemmer ofte hva som vil overleve. Men virusene utvikler seg også. Nye virus, som AIDS-forårsaker HIV-1, kan være de eneste biologiske enhetene som forskere faktisk kan vitne om, og gir et real-time eksempel på evolusjon i aksjon.

Virus er viktig for livet. De er den stadig skiftende grensen mellom verdens biologi og biokjemi. Når vi fortsetter å unravel genomene av flere og flere organismer, bør bidragene fra denne dynamiske og gamle genpoolen bli tydelige. Nobelpristageren Salvador Luria mumlet om viral innflytelse på evolusjonen i 1959. "Må vi ikke føle, " skrev han, "at vi i viruset, i fusjonen med cellegenomet og reemerging fra dem, observerer enhetene og prosessen som, i løpet av evolusjonen, har skapt de vellykkede genetiske mønstrene som ligger til grunn for alle levende celler? "Uansett om vi vurderer at virusene skal være i live, er det på tide å anerkjenne og studere dem i sin naturlige kontekst - innenfor livets web .

OM AUTOREN (S)

LUIS P. VILLARREAL er direktør for Senter for virusforskning ved University of California, Irvine. Han ble født i Øst Los Angeles. Han tok doktorgrad i biologi fra University of California, San Diego, og gjorde postdoktoral forskning i virologi ved Stanford University med Nobelprisvinneren Paul Berg. Han er aktiv i vitenskapelig utdanning og har mottatt en National Science Foundation Presidential Award for veiledning. I sin nåværende stilling har Villarreal etablert programmer for rask utvikling av forsvar mot bioterrorismtrusler. Han har to sønner og nyter motorsykler og latinsk musikk.

Siste nytt

"Jesu evangeliums ektemann" vist å være ekte i testSecretive Bezos-Funded Group avslører Spacecraft Plan DetaljerGiant Antarctic Ice Shelf Crack truer med å bli et massivt isbergHurtigvoksende hav som er satt for å frigjøre varme inn i atmosfærenNye EPA-bensinregler hjelper presidentens klimagruppeVellykket malariavaksine viser også effektive hos spedbarnForskere lager ny solcelle4 nye innovasjoner for å energisere verden