Вирусы должны вводить свой генетический материал в другие клетки, чтобы размножаться. Если организм может бороться с патогенами, они ищут новые способы заразить хозяина.
Простая по структуре, эффективна в атаке
Вирусы постоянно мутируют и изменяются — организм может реагировать только выработкой новых защитных механизмов. Но вирусы всегда на шаг впереди.
«Вирусов не миллионы, их всего несколько сотен тысяч», — говорит специалист по экологической медицине Питер Дашак из некоммерческой организации Ecohealth Alliance . По крайней мере, в царстве млекопитающих.
Как показало исследование Дашака и международной группы исследователей, млекопитающие являются носителями около 320 000 видов вирусов по всему миру.
«Учитывая доступную технологию, мы могли бы узнать каждый вирус по ней в течение нескольких десятилетий», — говорит Дашак. Более двух третей всех вирусных заболеваний человека возникают у животных. Чтобы иметь возможность вооружиться против будущих пандемий, важно исследовать вирусы.
Однако пока наука еще далека от представления о мире вирусов. Патогены имеют очень простое строение: они состоят из белковой оболочки, содержащей генетическую информацию.
В зависимости от типа вируса он может состоять из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК) и может быть одноцепочечным или двухцепочечным. Меньшие вирусы имеют только четыре гена, более крупные — несколько сотен.
Структура вируса «SARS-CoV-2»
У вирусов отсутствует собственный метаболизм. Поэтому вопрос о том, являются ли вирусы живыми существами, остается спорным. Согласно определению, живые существа могут выживать без посторонней помощи и производить плодовитое потомство.
«Вирусы должны заражать клетки, иначе они не смогут размножаться», — говорит вирусолог Стефан Плешка из Института медицинской вирусологии Гиссенского университета. Вирусы зависят от жизненной энергии других — поэтому они так агрессивны.
Враг берет штурвал
Взгляд на нанокосм показывает, как вирус заражает клетку. Вирус под названием «Phage T4» имеет размер всего около 50 нанометров. 20 000 этих крошечных существ размером один миллиметр.
Фаги, также называемые бактериофагами, заражают бактерии и хорошо изучены. «Фаг Т 4» атакует нашу кишечную бактерию Escherichia Coli (E. coli ).
Чтобы размножаться, он очень эффективно проникает в свой центр управления: вирус сначала пристыковывается к своей жертве, как небольшой лунный модуль. Он узнает бактерию с помощью нитевидных отростков, хвостовых волокон.
Вирус прикрепляется к определенным рецепторам на поверхности клетки подобно карабину, который зацепляется сам за себя. Вирус использует белковую палочку, чтобы просверлить отверстие в клеточной стенке. Если путь свободен, фаг проталкивает свою ДНК в бактерию. Вхождение в царство клетки состоялось.
Спайковый белок вируса SARS-CoV-2 стыкуется с рецептором в клетке-хозяине.
Злоумышленник теперь атакует центр управления клеткой и анализирует ее ДНК. Фаг берет на себя метаболизм и перепрограммирует его так, что клетка производит только фаговые белки. Фаг использует разрезанную ДНК бактерии для создания копий собственного генома.
Новые фаги накапливаются внутри клетки. Затем создаются специальные белки для разрушения клеточной стенки кишечной палочки. Бактерия набухает и в конце концов лопается. Высвобождаются новые фаги — и теперь они атакуют другие клетки.
Фаги разработали еще одну коварную стратегию захвата: однажды проникнув в генетическую информацию клетки-хозяина, она не расщепляется полностью на отдельные части. Вирус внедряет свой генетический материал в чужеродную клетку. Замаскированный таким образом вирус размножается при каждом делении клетки-хозяина.
В принципе, все вирусы размножаются по стратегии бактериофага Т 4. Однако, чтобы взломать сложную иммунную систему своих жертв, вирусы животных разработали еще более сложные методы размножения.
Оповещение системы защиты
Вирусные атаки приводят организмы в состояние боевой готовности. Система защиты выпускает клетки-мусорщики, которые набрасываются на зараженные вирусом клетки и уничтожают их.
После того, как организм пережил инфекцию, в будущем он будет невосприимчив к вирусу: его защитная система сформировала клетки памяти, которые теперь могут распознавать врага.
Поэтому человек заболевает такими заболеваниями, как свинка и корь, только один раз в жизни. Врачи используют этот механизм, когда вакцинируют пациента: вводят в организм ослабленные вирусы.
Это позволяет иммунной системе развиваться без вспышки болезни. Если вакцинированный человек позже заразится нужным патогеном, иммунная система может отреагировать немедленно.
Одним из вирусов, против которого до сих пор не помогали даже вакцины, является вирус HI. Он атакует иммунные клетки всех вещей и вызывает иммунное заболевание СПИД. Защитные силы организма ослаблены до такой степени, что организм беспомощно во власти микробов. Поэтому любой больной СПИДом очень чувствителен к инфекциям.
Мутировавший вирус часто остается незамеченным
Вирусы очень легко адаптируются, поэтому они могут представлять такую большую угрозу. Строение их простое, многие регуляторные механизмы, встречающиеся у более высокоразвитых организмов, отсутствуют. Их геном постоянно меняется в результате мутаций.
Вирусы меняют свою поверхность, что позволяет им распознавать защитные системы организма. Таким образом, они перехитрили антитела, которые сформировались заранее, и больше не могут прикрепляться к новой поверхности для атаки на вирус.
«Поэтому мы должны регулярно разрабатывать новые вакцины для ежегодной волны гриппа, адаптированные к мутировавшим вирусам», — объясняет вирусолог Стефан Плешка.
В Гиссенском университете Стефан Плешка исследует способность вирусов к изменению. По его словам, вирусы могут не только обманывать защитные механизмы организма. Они также могли переходить от одного вида к другому — например, от животных к человеку — для того, чтобы размножаться на новом хозяине.
Такой новый тип вируса особенно опасен для организма, так как существующие защитные механизмы в значительной степени неэффективны против него. Если он также очень заразен, он распространяется от человека к человеку, как лесной пожар. Испанский грипп, птичий грипп или свиной грипп являются примерами этого, как и коронавирус.
«Простой мутации гена недостаточно, чтобы вирус животного размножился в организме человека», — говорит Плешка. Обычно требуется смешивание двух разных вирусов. Затем происходит обмен целыми сегментами генома. Исследователи называют это генной мутацией или сдвигом антигена.
Антитела прикрепляются к вирусу гриппа
Опасно: переход от животных к людям
«Мы заметили, что в случае особого птичьего вируса необходимо заменить только один сегмент гена, после чего он может размножаться среди других животных и людей», — говорит Плешка.
Однако, поскольку вирусы скрещиваются случайным образом и без правил, маловероятно, что именно этот сегмент будет обмениваться. Однако риск сдвига антигена особенно высок, когда животные и люди живут в непосредственной близости. Это облегчает вирусам распространение и смешивание друг с другом.
Чтобы снизить риск пандемии, многие вирусные заболевания теперь подлежат уведомлению. Если инфекция распространяется подобно эпидемии, срабатывают защитные механизмы государственных учреждений, таких как департамент здравоохранения или Институт Роберта Коха. Это могут быть массовые прививки или карантин.
«Всегда будет существовать риск новых пандемий», — говорит Ян Феликс Дрекслер, который занимается поиском происхождения новых вирусов в Институте вирусологии Боннского университета. По его словам, благодаря своей чрезвычайной способности изменяться и адаптироваться, вирусы всегда будут на шаг впереди исследователей.
«Возможно, в будущем мы будем лучше подготовлены, чтобы реагировать быстрее», — говорит Дрекслер. Для ученого уже было бы успехом оценить потенциал риска новых патогенов, по крайней мере, в отдельных случаях, до того, как они распространится за пределы национальных границ.
