Вирусы и бактериофаги. Неклеточные формы жизни

Вирусы и бактериофаги. Неклеточные формы жизни

«Что же, пусть наша прекрасная незнакомка так и останется незнакомкой, лишь бы она полюбила нас». Это фраза произнесённая, по преданию, выдающимся микробиологом, первым применившим вакцину для лечения бешенства и спасшим тысячи человеческих жизней Луи ПастЕром.  

Бешенство –  одно из самых опасных заболеваний животных и человека, погубившее в  XIX веке множество людей, возбудителя которого ПастЕр тщетно искал, но так и не смог выявить.

В конце XIX века в БессарАбии растениеводы столкнулись со странным не известным заболеванием табака, получившей название табачной мозаики: отмирали молодые верхушки растений, на листьях появлялись светлые пятна. Для выяснения причин болезни растений была отправлена экспедиция, в которую вошёл Дмитрий Иосифович Ивановский. Несколько лет учёные проводили наблюдения, исследования, эксперименты и выяснили, что возбудитель болезни с опавшими листьями попадает в почву, зимует и весной поражает посевы. Однако, выделить возбудителя так и не удалось. Было понятно, что «ядовитое нечто» содержится в соке растений табака. Сок был профильтрован специальными фильтрами, что исключало наличие в нём патогенных бактерий.  Учёные предположили, что причиной болезни является фильтруемый яд, однако яд – это вещество, а возбудитель болезни проявлял признаки существа: он прекрасно размножался в листьях растений.

В работе, датированной 1892 годом, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что табачная мозаика вызывается «бактериями, проходящими через фильтр Шамберлана, которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах».

Пять лет спустя другой фильтрующийся агент – возбудитель ящура крупного рогатого скота – был обнаружен немецким бактериологом Фридрихом Лёффлером.

В 1898 голландский ботаник Мартин БЕйеринк повторил в расширенном варианте эти опыты и подтвердил выводы Ивановского. Он назвал «фильтрующееся ядовитое начало», вызывающее табачную мозаику, «фильтрующимся вирусом». Этот термин использовался на протяжении многих лет и постепенно сократился до одного слова – «вирус», что в переводе с латинского означает «яд», закрепилось в науке.

В 1901 г. было обнаружено первое вирусное заболевание человека – жёлтая лихорадка. Это открытие было сделано американским военным хирургом Уолтером Ридом. 

Американский патолог Фрэнсис Раус (Роус)  в 1911 году доказал вирусную природу рака - саркомы Рауса. За это открытие  через 55 лет он получил Нобелевскую премию.

В 2002 году американским учёным удалось создать первый синтетический вирус. По сути, это инфекционное вещество, которое было создано на основе нуклеотидной последовательности вируса полиомиелита.

Изучение вирусов играет важную роль в развитии медицины, молекулярной генетики, иммунологии, эпидемиологии и других науках, направленных на сохранение здоровья человека, животных, растений.

Вирусы представляют собой жизненные формы, значительно более мелкие, чем бактерии; их размеры едва превышают размеры некоторых крупных молекул белков или нуклеиновых кислот. Так, диаметр одного из самых крупных вирусов — вируса пситтакоза, переносчиками которого являются попугаи, достигает 280 нм, тогда как размер одного из самых мелких вирусов, вызывающего ящур у крупного рогатого скота, не более10-20 нм.

Увидеть их можно только при помощи электронного микроскопа. Вирус – это крупная частица нуклеопротеида, состоящая из повторяющихся элементов и покрытая белковой оболочкой – капсидом, которая проникает в определенную, специфическую для нее живую клетку, встраивается в её геном и производит многочисленные новые вирусные частицы – вириОны. Вне клетки хозяина вирусы инертны и не проявляют свойств живого. Вирусы – исключительно внутриклеточные паразиты.  Попытки учёных вырастить вирусы вне клеток в питательных средах, содержащих белки, углеводы, витамины и аминокислоты, до сих пор остаются безуспешными.

Размножение вирусов проходит в несколько этапов. Сначала вирус прикрепляется к клетке – хозяину, что требует химического сродства между вирусом и клеточной мембраной. Как правило, каждый тип вирусов поражает исключительно клетки определённого вида. Например, вирус гепатита проникает в клетки печени, вирус паротита поражает только клетки околоушных слюнных желёз человека, ВИЧ (вирус иммунодефицита человека) поражает и разрушает лимфоциты – клетки, отвечающие за иммунитет организма. Но есть вирусы с ши­роким спектром хозяев. Так, вирус клещевого энцефалита размножается в организме энцефалитного клеща и человека.

Вирусная ДНК проникает внутрь клетки хозяина и встраивается в ее ДНК, в результате чего клетка начинает синтезировать вирусные белки. Сама же вирусная ДНК многократно удваивается (дуплицируется) при участии другого набора ферментов, как вирусных, так и принадлежащих клетке.  Синтезированный белок, который используется для строительства капсида, и размноженная во многих копиях вирусная ДНК объединяются и формируют новые, «дочерние» вирионы. Сформированное вирусное потомство покидает использованную клетку и заражает новые: цикл репродукции вируса повторяется. Что касается клетки-хозяина, то она в итоге оказывается поврежденной или даже полностью разрушенной.

В некоторых случаях вирусы выходят из клетки постепенно, не разрушая клеточной мембраны. Целостность клеточной плазматической мембраны не нарушается, если вирус покидает клетку путём почкования: вирион сначала обволакивается клеточной мембраной, включающей некоторые вирусные белки, затем "отпочковывается", а це­лостность клеточной мембраны восста­навливается, и клетка не погибает. Такая поражённая вирусом клетка может долго жить и производить новые вирусы.

Такие заболевания человека, как корь, краснуха, оспа, грипп, бешенство, энцефалит, гепатит, герпес, СПИД являются результатом поражения организма вирусами. Некоторые вирусы являются причиной онкологических заболеваний.

В настоящее время описано около 500 вирусов, паразитирующих на клетках позвоночных животных. Более 300 вирусов становятся причиной заболеваний растений.

Обнаружены так же вирусы, паразитирующие на других вирусах.

Обнаружены и описаны около 5 тысяч различных вирусов, однако, по предположениям учёных количество вирусных форм на планете может превышать миллион и более.

В отдельную группу вирусов выделены бактериофаги, или просто фаги – вирусные паразиты бактерий. Впервые описаны Фредериком Туортом (1915). В 1917 году Феликс Д'Эрель (d’Hérelle)  – канадский сотрудник Института Пастера (Париж) назвал бактериофаги «бактериофагами» и охарактеризовал их : «вирусы, размножающиеся в бактериях».

Фаги представляют обширную и широко распространённую в природе группу вирусов, обитающих всюду, где есть чувствительные к ним бактерии.  Часто встречаются в содержимом кишечника человека и животных. Подобно другим вирусам, фаги поражают клетки строго определённого типа, и если в настоящее время организм - хозяин отсутствует, они могут сохранять способность к заражению десятки лет, если не будут разрушены агрессивными для них факторами внешней среды.

Фаговая частица состоит из головки и хвоста. В головке расположен генетический материал – РНК или ДНК, окружённая белковой оболочкой – капсидом.

Хвост представляет собой полую белковую трубку и является продолжением белковой оболочки головки. Существуют бактериофаги с коротким отростком и не имеющие отростка.

Фаг укрепляется на поверхности бактерии с помощью специальных «ножек» и вводит в её цитоплазму полый стержень, через который, как через иглу шприца, проталкивает внутрь клетки свою ДНК или РНК. Таким образом, генетический материал фага попадает внутрь бактериальной клетки, а капсид остается снаружи. В цито­плазме начинается репликация генетического материала фага, синтез его белков, построение капсида и сборка новых фагов. Уже через 10 мин после заражения в бактерии формируются новые фаги, а через
полчаса бактериальная клетка разрушается, и из нее выходят около 200 заново сформированных вирусов — фагов, способных заражать другие бактериальные клетки. Некоторые фаги используются челове­ком для борьбы с болезнетворными бактериями, например, с бакте­риями, вызывающими холеру, дизентерию, брюшной тиф.

   О происхождении вирусов можно лишь строить гипотезы. Одни учёные полагают, что вирусы являются потомками неклеточных форм живых паразитических микроорганизмов. Другие считают, что вирусы возникли в результате регрессивной эволюции одноклеточных микроорганизмов, приверженцы теории панспермии вообще считают вирусы «пришельцами», занесёнными на Землю из космоса.