Środowisko

Czwarta linia życia

Numer 9/2019
Wirusy mają różną budowę. Płaszcz białkowy otacza RNA/DNA. Wirusy mają różną budowę. Płaszcz białkowy otacza RNA/DNA. Marina Mandarina / Shutterstock
Model drzewa filogenetycznego wskazuje, że wszystkie organizmy pochodzą od jednej komórki, zwanej Luca. Czy w tym modelu jest miejsce na wirusy? Ostatnie badania sugerują, że nie i że wywodzą się one z zupełnie innej linii ewolucyjnej. Jaka jest zatem ich geneza?
Uproszczone drzewo filogenetyczne. Bakterie, eukarionty i arche­ony pochodzą od wspólnego przodka zwanego Luca.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Uproszczone drzewo filogenetyczne. Bakterie, eukarionty i arche­ony pochodzą od wspólnego przodka zwanego Luca.
Budowa ­wirusa grypy. W ­środku znajduje się RNA (­czerwona spirala), ­czyli cząsteczka zawierająca informację genetyczną patogenu.Juan Gaertner/Shutterstock Budowa ­wirusa grypy. W ­środku znajduje się RNA (­czerwona spirala), ­czyli cząsteczka zawierająca informację genetyczną patogenu.
Przykład trzech domen strukturalnych w białku.Wikimedia Commons/Wikipedia Przykład trzech domen strukturalnych w białku.
Pandorawirus jest większy od wielu bakterii.Giovanni Cancemi/Shutterstock Pandorawirus jest większy od wielu bakterii.
Cykl ­namnażania wirusa PgV-16T, który ­zakażony jest innym wirusem (wirofagiem).Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Cykl ­namnażania wirusa PgV-16T, który ­zakażony jest innym wirusem (wirofagiem).

Aby poznać historię wirusów, należy cofnąć się w czasie o jakieś 3,5–3,8 mld lat do momentu, kiedy to pierwsze twory komórkowe toczyły zaciętą walkę o cenne składniki „zupy pierwotnej”. Wielkim zwycięzcą okazał się Luca (od last universal common ancestor, czyli „ostatni uniwersalny wspólny przodek”), który dzięki swoim zdolnościom reprodukcyjnym szybko zmonopolizował dostępne zasoby, generując trzy linie ewolucyjne: archeony (drobne jednokomórkowce), bakterie i eukarionty (organizmy zbudowane z komórek mających jądro komórkowe z chromosami). W starciu z tak silnym konkurentem wszystkie inne komórki wymarły. Wszystkie… oprócz wirusów. Przynajmniej tak twierdzi Gustavo Caetano--Anollés z University of Illinois. Według niego współczesne wirusy pochodzą nie od Luca, ale od komórek z nią konkurujących i tym samym mających inny sposób na życie.

Żywy organizm czy nieżywa cząsteczka

Naukowiec jest przekonany, że przodkowie wirusów bardzo szybko stali się pasożytami Luca. Kierując maszynerią komórkową gospodarza, zaczęli likwidować niektóre ze swoich funkcji – ot, klasyczny fenomen redukcji ewolucyjnej. W toku ewolucji wirusy upraszczały się coraz bardziej, tracąc uważane dziś za kluczowe atrybuty żywych istot (takie jak zdolność do powielania własnych informacji lub czerpania energii z zewnątrz) i utrzymując tylko niezbędne funkcje, pozwalające na zawładnięcie komórkami Luca i za ich pośrednictwem na rozprzestrzenienie się. I chociaż dzisiejsze wirusy składają się zazwyczaj z jednej lub dwóch nici DNA albo RNA otoczonych białkową osłoną, to zwolennicy powyższej teorii uważają, że powinny być zaliczane do istot żywych.

Historia ta nie pasuje zupełnie do oficjalnego scenariusza, który widzi wirusy jako proste i przypadkowe fragmenty, które oderwały się od komórek Luca w czasie ich formowania. Innymi słowy, przed milionami lat Luca zalały „pierwotną zupę” kawałkami swojej anatomii – fragmentami DNA, RNA lub błony komórkowej, czyli materiałem obojętnym biologicznie, ale aktywnym chemicznie. I tylko przypadek sprawił, że niewielka liczba tych fragmentów posiada właściwości fizykochemiczne, umożliwiające replikację w komórkach, a tym samym przetrwanie. W związku z powyższym wirusy to nic innego jak cząsteczki chemiczne i powinny być zaliczane do materii nieożywionej.

Wirusowe giganty

Pierwszy dowód na to, że wirusom bliżej jednak do świata żywych, przedstawili Jean-Michel Claverie i jego współpracownicy z Université d’Aix-Marseille. W 2003 r. naukowcy opisali żerującego na amebach wirusa, który jest tak duży, że można go zobaczyć pod mikroskopem optycznym. Co prawda był on znany już w 1992 r., ale właśnie ze względu na swoje rozmiary został pomylony z... bakterią. Z tego powodu francuscy badacze nazwali go mimiwirusem (od ang. mimicking, czyli „naśladowanie”). Najciekawsze jest to, że jego DNA zawiera ok. 1260 genów (dla porównania wirus grypy ma genów 14), z których 50 koduje funkcje wcześniej niespotykane u wirusów, w tym naprawę DNA i przepisanie informacji z mRNA na białko. A przecież wszystkie inne wirusy powodują, że to komórki gospodarza wytwarzają dla nich białka! Zespół sądzi, że zdolność mimiwirusa do tworzenia własnych białek wskazuje na to, że ten olbrzym pochodzi od bardziej skomplikowanej komórki, która kiedyś mogła funkcjonować samodzielnie.

Przez pewien czas mimiwirus był jedynym przedstawicielem swojej rodziny, tj. Megaviridae. Z biegiem lat powiększała się ona coraz bardziej, a nowe okazy znajdowano głównie w morzach. Tak też było z odkrytym w 2013 r. krewnym mimiwirusa o nazwie Phaeocystis globosa virus (PgV-16T). Co prawda ma on mniejszy genom niż inni członkowie jego rodziny, ale posiada za to bardziej intrygującą cechę – związany z nim wirofag. Innymi słowy, PgV-16T jest wirusem zakażonym przez innego wirusa. Rozwój niezwykłego pasożyta wymaga infekcji komórki jednocześnie z gigantem, który staje się następnie ofiarą. Po rozpoczęciu namnażania wirofag atakuje bowiem wirusa olbrzyma, wykorzystując jego białka i materiał genetyczny do replikacji własnego wirionu. W efekcie powstają zdeformowane cząstki wirusa – ofiary. Fakt, że wirus może zachorować, czyni go jeszcze bardziej „żywym” – twierdzi zespół z Université d’Aix-Marseille.

Puszka Pandory

Gdy francuscy badacze myśleli, że nic ich już nie zaskoczy, w 2013 i 2014 r. udało im się odkryć dwie nowe rodziny wirusów – Pandoraviridae i Pithoviridae. Wielkość genomu tych nowych gwiazd wirusologii oszołomiła badaczy. Z 2500 genami Pandoravirus salinus może śmiało rywalizować z bakteriami. I jakby tego było mało, wiele z nich jest zupełnie nowych dla nauki. Dwie trzecie genów Pithovirusa sibericum nie pasuje do żadnego z tych, które możemy znaleźć w innych wirusach lub organizmach komórkowych, a w przypadku wspomnianego wyżej przedstawiciela Pandoraviridae ta proporcja jest jeszcze większa! W chwili odkrycia tylko 7% jego genów było znanych nauce, dlatego badacze, spodziewając się zaskakujących ustaleń, nadali nazwę całej rodzinie od puszki Pandory.

Pandoravirus salinus został znaleziony w osadach rzecznych w środkowym Chile. Pithovirus sibericum natomiast skrywał się przed naukowcami w wiecznej zmarzlinie syberyjskiej. Pochowany w ziemi na głębokości 30 m na ponad 30 tys. lat został „przebudzony” w laboratorium przez zespół Jeana-Michela Claveriego. Obecnie badacz „kopie” jeszcze głębiej w nadziei na odkrycie gigantycznych wirusów, które mogą mieć nawet kilka milionów lat. Chce bowiem dowiedzieć się czegoś więcej o ich pochodzeniu.

11 mln białek

Mogą mu w tym pomóc przeprowadzone w zeszłym roku nietypowe badania Gustava Caetano-Anollésa z University of Illinois. W przeciwieństwie do większości analiz mających na celu zbudowanie genealogicznych drzew życia praca tego naukowca polega na porównaniu tzw. domen strukturalnych białek (czyli „fałdek” w białkach). Innymi słowy, bada on nie sekwencje genetyczne, ale strukturę przestrzenną kodowanych przez nie białek. Podobnie jak w przypadku tradycyjnych metod technika ta pozwala prześledzić ewolucyjną historię tych struktur z tą samą logiką: dwa podmioty produkujące białka o podobnej budowie mają wspólnego przodka.

Gustavo Caetano-Anollés wykorzystuje tę metodę od czasu jej powstania (koniec lat 90. XX w.), a drzewa życia, które stworzył, zawsze były zgodne z tradycyjnymi metodami filogenetycznymi. Dla niego ta technika jest jeszcze bardziej niezawodna, gdyż – jak wiadomo – geny mutują znacznie szybciej niż domeny strukturalne białek, które kodują. Aby stworzyć drzewo życia wirusów, wykorzystał potężne algorytmy statystyczne. Korzystając z „biblioteki” kilku tysięcy białek, których skład chemiczny i struktura 3D są znane, naukowiec wywnioskował najpierw kształt domen strukturalnych 11 mln białek wyprodukowanych przez 3460 gatunków wirusów i 1620 gatunków komórek należących do wspomnianych wyżej trzech królestw. Mowa tutaj o złożonych obliczeniach probabilistycznych, ale których przewidywania, jak zapewnia badacz, zostały potwierdzone przez badania rentgenowskie białek.

Następnie naukowcy zidentyfikowali najpowszechniej występujące domeny strukturalne wśród różnych gatunków. Naliczono ich dokładnie 1995, z czego 66 należy tylko do wirusów. Trudno uwierzyć, że geny wytwarzające te białka pochodzą od Luca. Gdyby tak było, to znaleziono by ich ślady w bakteriach, eukariontach lub archeonach. Stąd wniosek badacza, że wirusy pochodzą od komórek odmiennych od Luca i współistniały razem z nią, mają własne drzewo ewolucyjne, a ponieważ pochodzą od żywych komórek, to powinny być uważane za żywe istoty.

Niektórzy podchodzą bardzo sceptycznie do wyników badań Caetano-Anollésa. Naukowiec się tym jednak nie przejmuje. Wie bowiem, że są oni przyzwyczajeni do tradycyjnych metod i nie widzieli możliwości, jakie dają analizy strukturalne białek. Cieszy się natomiast, że wirusy trafiły pod lupę ewolucjonistów, i jest przekonany, że już niedługo uzyskają rangę czwartej domeny życia.

***

Dziwaczne archeony

Na lekcjach biologii najwięcej uczymy się o eukariontach, do których należą zwierzęta, rośliny i grzyby. Sporo też wiemy o bakteriach, które w odróżnieniu od eukariontów nie posiadają jądra komórkowego. Najbardziej tajemniczą domenę stanowią archeony, które co prawda nie mają jądra, ale ich geny i biochemia bardziej przypominają eukarionty niż bakterie. Przez dłuższy czas archeony znane były jako organizmy żyjące w ekstremalnych środowiskach, takich jak źródła termiczne czy miejsca z wysoką koncentracją siarki. Obecnie znamy wiele archeonów żyjących w bardziej przyjaznych warunkach.

***

Leki dzięki wirusom

Naukowcy z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) oraz Swansea University Medical School wykazali kilka tygodni temu, że genomy odkrytych niedawno ogromnych wirusów występujących w morzach zawierają geny enzymu zwanego cytochromem P450. W organizmach zwierząt i ludzi zajmuje się on metabolizowaniem leków, wytwarzaniem hormonów steroidowych oraz ochroną przed zanieczyszczeniami. Na razie nie wiadomo, do czego potrzebują go wirusy, ale dalsze prace nad odkrytym enzymem mogą prowadzić do wskazania mechanizmów, które pozwoliłyby na opracowanie leków na choroby wirusowe ludzi. Dzięki nim można byłoby zwalczać chociażby niektóre wirusowe zapalenia płuc.

***

Wielbiciele ameb

Olbrzymie wirusy szczególnie upodobały sobie ameby na ofiary. Odkrywając nowe okazy tych pasożytów, naukowcy często właśnie przyłapują je na gorącym uczynku. Biolodzy uważają, że potrzebują one tak dużego repertuaru genetycznego, by oszukać ofiarę. Ameby żywią się bowiem bakteriami, a duże wirusy właśnie ze względu na swój rozmiar i złożoną strukturę za nie uchodzą. Nieświadoma niczego ameba po prostu pochłania oszusta. Według naukowców to właśnie ten rodzaj adaptacji sprawia, że gigantyczne wirusy posiadają tak wiele genów.

***

Wirusy zombi

Czy gigantyczne wirusy są niebezpieczne dla człowieka? I czy te, które spoczywają obecnie w wiecznych zmarzlinach i lodowcach, nie uaktywnią się po ich stopieniu? Odpowiedź brzmi: niestety tak. Od dawna wiadomo, że niektóre mimiwirusy powodują zapalenie płuc. I chociaż eksperymenty laboratoryjne tego nie wykazały, to niewykluczone, że inne gigantyczne wirusy są także zdolne do infekowania ludzkich komórek. Do negatywnych skutków globalnego ocieplenia możemy zatem dołączyć kolejną nieprzyjemną wizję – świat zalany wirusami zombi, które mogą się w każdej chwili uaktywnić i o których absolutnie nic nie wiemy.

01.09.2019 Numer 9/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną