Вирусы сопровождают все группы живых существ со времен первых организмов на Земле. Они могут быть опасными патогенами или полезными симбионтами, но нельзя забывать, что они еще и один из важнейших факторов эволюции. Как вирусы повышают генетическое разнообразие всех живых организмов и почему они оказались так важны в эволюции — в рамках гида «Полезные вирусы» ПостНауке рассказывает вирусолог Леонид Марголис.

Двигатель эволюции — это изменчивость. У существ, которые размножаются половым путем, в том числе и у людей, изменчивость генетического материала достигается за счет того, что каждое поколение получает половину генома от матери и другую половину от отца. Помимо этого, дополнительное разнообразие дают мутации и рекомбинация генетического материала (то есть перераспределение генов между хромосомами) внутри одного организма. Но есть еще и горизонтальный перенос генов, то есть процесс, при котором один организм передает генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Большую роль в этом играют вирусы, в том числе и бактериофаги, то есть вирусы бактерий.

Впервые это явление было описано еще в конце 1950-х, а тридцать лет спустя американский иммунолог и микробиолог Майкл Сивянен предположил, что горизонтальный перенос генов был важным фактором эволюции с начала жизни на Земле. В 2004 году его коллега Карл Вёзе доказал, что между древними группами живых организмов происходил массовый перенос генетической информации. 

Наиболее изучен перенос генов между бактериями. Вирусы в основном обмениваются генами путем гибридизации, когда попадают в одну и ту же клетку организма и взаимодействуют путем комплементарного соединения цепочек нуклеиновых кислот (ДНК или РНК). Что касается млекопитающих, то это, по-видимому, редкое явление. Такая концепция возникла недавно. Ведь чтобы такой перенос сохранился, нужно, чтобы новый ген попал в зародышевую клетку, но природа оберегает наше я.

С эволюционной точки зрения вирусы можно условно поделить на три группы. Есть вирусы, которыми мы заражаемся сегодня, есть те, которые заражали наших предков, а потом вымерли, и бактериофаги. 

Влияние современных вирусов понятно: некоторые из них являются нашими симбионтами, другие, наоборот, очень для нас опасны. И, как мы знаем, набор этих опасных вирусов непостоянен, потому что все время появляются их новые разновидности. Это серьезные факторы эволюции, потому что они значительно повлияли на человеческую популяцию.

Что касается вирусов, которые существовали миллионы лет назад, то их влияние эволюцию исследовать довольно сложно. Считается, что вирусы являются переносчиками генома. У всех групп живых существ в генетическом материале обнаружены своего рода «ископаемые», так называемые эндогенные вирусные элементы, то есть последовательности ДНК вирусного происхождения. Некоторые из них даже представлены полными вирусными геномами (провирусами). Эндогенные вирусные элементы могут оказываться очень выгодными: например, из опытов на мышах мы знаем, что эти вирусные геномные элементы играют важную роль в самых разных процессах, вплоть до способности к обучению.

Почему необходимо включить в этот список бактериофагов? Потому что мы находимся в очень тесном симбиозе с бактериями, можно даже сказать, что мы на 90% состоим из бактерий: в нашем организме бактериальных клеток в 10 раз больше, чем собственно клеток самого организма. Таким образом, заражающие бактерии вирусы неизбежно будут играть большую роль и в нашей эволюции тоже. 

Бактериофаги — самые активные и изученные переносчики генетического материала. По сути, при формировании вирусных частиц бактериофаг захватывает часть ДНК бактерии и при заражении других клеток может передать им чужие гены. Именно благодаря этому процессу (трансдукции) бактерии получают устойчивость к антибиотикам от других штаммов и даже видов. Для бактерий горизонтальный перенос генетического материала вирусами еще и заменяет половое размножение в плане генетического разнообразия.

Нужно ли бороться с вирусами?

Вирусы помогли Homo Sapiens стать сильнее как вид

На протяжении всей истории человечества разные вирусы от оспы до гриппа были ответственны за миллионы смертей по всему миру. Неудивительно, что мы воспринимаем вирусы как врагов. И некоторые из них действительно таковы: SARS, MERS, Эбола, ВИЧ, свиной грипп, птичий грипп и вирус Зика входят в число вирусов, которые стали причиной смертельных вспышек за последние годы. Этот список длинный и постоянно растет. Однако верно также и то, что подавляющее большинство вирусов вообще не заражают человека или млекопитающих – многие вирусы могут быть полезны для нас, помогая укрепить здоровье или спасая от других болезней. Так стоит ли с ними бороться?

Что такое вирус и бактериофаг?

В повседневной жизни крайне легко забыть о микробах, вирусах и бактериях, но большая часть жизни микроскопична. И точно так же как вирусы, характерные для млекопитающих, заражают клетки животных, множество вирусов эволюционировали таким образом, чтобы преуспеть в заражении клеток бактерий. Эти вирусы называются бактериофагами (или сокращенно фагами).

В то время как бактерии – это живые организмы, созданные из одной клетки, вирус – это биологический организм, состоящий из пучка генетического материала, обернутого в белковую оболочку. Вирус не может существовать обособленно, поэтому он заражает клетку-хозяина и захватывает ее клеточный механизм – это позволяет вирусу делать копии самого себя. В процессе репликации он прикрепляется к поверхности клетки и вводит в нее свой генетический материал, тем самым захватывая ее. Важно понимать, что этот принцип одинаков для вирусов человека и вирусов бактерий.

Ученые изучали бактериофаги на протяжении десятилетий, наблюдая, как они распространяются через популяцию бактерий, сначала заражая, а затем разрывая зараженные клетки. И наоборот – как они сосуществуют с поразительной стабильностью, часто поддерживая разнообразное сообщество бактериальных видов в таких средах, как открытый океан или желудочно-кишечный тракт человека. Они делают это, предотвращая рост любого вида бактерий, чтобы он не стала доминирующим, подобно тому, как хищники держат популяции своих жертв под контролем.

Как пишет The Conversation, чем больше мы понимаем фаги, тем больше мы начинаем рассматривать их как важнейший компонент микробных экосистем, поддерживающий разнообразие и функциональность, а не действующий как возбудитель болезней. Так, ученым известно, что разнообразие микробиота – сообщества микроорганизмов, живущих в кишечнике, связано со здоровьем человека. Эта связь включает в себя правильное функционирование иммунной системы, всасывание питательных веществ в кишечнике и даже изменение настроения и поведения.

Фаги играют ключевую роль в поддержании этого разнообразия и поэтому на уровне микробной экосистемы внутри нас вносят свой вклад в общее благополучие человека.

Хью Харрис, микробиолог из Университетского Колледжа Лондона

Сегодня, когда все большее количество опасных бактерий развивают устойчивость к широко используемым антибиотикам, борьба с бактериями с помощью фагов – многообещающая стратегия. Так как антибиотики убивают и болезнетворные организмы и полезные бактерии, исследователи надеются, что в будущем фаги могут быть использованы как «запрограммированные охотники» на бактерий.

Вирусные войны

Вирусы также могут быть использованы для борьбы с другими вирусами. В недавнем исследовании макак-резусов и вируса иммунодефицита обезьян (ВИО) ученые обнаружили, что другой вирус – цитомегаловирус – можно принудить производить те же белки, что и ВИО. Это означает, что другой вирус может быть использован в качестве вакцины против вируса иммунодефицита обезьяны, чтобы научить иммунную систему животного эффективно бороться с ВИО, не подвергаясь воздействию вредного вируса.

А так при ближайшем рассмотрении выглядит вирус Эбола

Это важно, так как вирусы иммунодефицита стали своего рода экспертами по скрытию от иммунной системы путем мутации, что делает разработку защитного механизма очень трудной задачей для организма. Будущие исследования будут иметь большое значение для лечения ВИЧ.

Во многих отношениях действия вируса столь же безразличны, как и погода за окном. Точно так же, как точный прогноз погоды может спасти чью-то жизнь, понимание многогранной природы вирусов в нашем мире когда-нибудь может спасти вас. В конце концов, именно эффективная разработка и использование вакцин свели на нет катастрофические последствия самых смертоносных инфекций в истории. Знание того, как вирус распространяется и как он действует, также позволяет информировать государственную политику и предпринимать необходимые меры безопасности.

Ученые создали портативное устройство для быстрого определения вида вируса

Американские учёные создали прототип устройства, которое может за считанные минуты определить вид вируса в биологическом образце. Об этом сообщает New Atlas.

Обычно на диагностику вида возбудителя, поразившего человека или животное, уходят несколько дней. Причём это требует использования дорогого лабораторного оборудования.

Ученые из Университета штата Пенсильвания и Нью-Йоркского университета создали портативное устройство VIRRION, которое может определить вирус всего за несколько минут.

Для этого биологический образец пропускается через сплошной ряд углеродных нанотрубок в устройстве, которые захватывают вирус. Тип вируса определятся с помощью технологии рамановской спектроскопии. Образец просвечивается лазерным лучом, а затем датчик считывает спектр рассеивания лазера, прошедшего через образец. Чип устройства сравнивает полученный спектр с имеющейся базой данной и выдаёт ответ, какой именно вирус находится в образце.

Учёные надеются, что вскоре в каждом кабинете врача появится их аппарат оперативной диагностики возбудителя заболевания.

Учёные создали поверхность, отталкивающую бактерии и любое загрязнение

Канадские учёные разработали самоочищающуюся поверхность из пластика, отталкивающую все виды бактерий и любые формы загрязнения. Об этом 13 декабря сообщает портал PHYS.ORG. 

Исследователи из Университета МакМастера научились текстурировать поверхность пластика микроскопическими морщинами, так, что это исключает задержку на поверхности материала любых внешних молекул. Снимки, сделанные электронным микроскопом, показывают, что бактерии не могут при такой обработке задержаться на поверхности.

В плёнку из этого материала можно упаковывать пищевые продукты, покрывать поверхности, на которых могут скапливаться бактерии (стены, перила, дверные ручки). При этом материал оказался гибким, долговечным и недорогим в производстве.