Divovski virusi otvaraju pitanje nove granice između živog i neživog

Sve donedavno postojala je relativno dobro utvrđena granica između staničnih organizama, unutarstaničnih parazita i virusa koja se temeljila na tome posjeduje li neki mikroorganizam sve sustave za samostalan život, a prvenstveno se tu radi o komponentama sustava za sintezu proteina i proizvodnju energije. Otkrićem divovskih virusa pojavila se hipoteza o četvrtoj domeni života

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković

U prethodnom tekstu bavila sam se izumiranjem vrsta i njihovim potencijalnim oživljavanjem u cilju očuvanja bioraznolikosti. No, činjenica je da niti danas, upravo u ovom trenutku, ne možemo utvrditi konačan broj različitih vrsta organizama koji žive na Zemlji. Dodatnu kontroverzu u razmatranje života koji nas okružuje unose i mikroorganizmi na samom rubu životne sfere koji ne mogu živjeti samostalno već “oživljavaju” samo u kontekstu žive stanice.

Najpoznatiji primjer takvih “organizama” su virusi. Oni imaju neke karakteristike živih bića poput genetičkog materijala i sposobnosti reprodukcije, no istovremeno im nedostaju neka svojstva koja karakteriziraju stanične organizme. Jedno od pravila u razgraničenju virusa u odnosu na žive organizme jest njihova nemogućnost metaboličke aktivnosti. No da stvar bude zanimljivija danas se zna da neke bakterije također nemaju ta svojstva ali ih se samim time što su bakterije svrstava u žive organizme.

Umnažanje virusa unutar stanica u velikoj mjeri se temelji na “samosklapanju” organskih molekula u kompleksnu strukturu koja se sastoji od nukleinske kiseline koja predstavlja genetski materijal virusa te proteinske ovojnice koja obavija nukleinsku kiselinu i pakira u virusnu česticu. Taj proces izuzetno je interesantan s evolucijskog aspekta jer predstavlja najjednostavniji sustav koji posjeduje genetičku uputu i može se replicirati te postoje hipoteze koje iznose ideju kako je prvi život na Zemlji možda upravo nastao iz nekog sličnog sustava.

Građa virusa koji inficiraju biljke (virus mozaične bolesti duhana), životinje (adenovirus, virus gripe) i bakterije (bakteriofag)  je iako naizgled različita zapravo strukturirana od nukleinske kiseline (DNA ili RNA) i proteina (kapside ili omotača). Slika preuzeta s http://www.genetika.biol.pmf.unizg.hr/pogl13.html

Ipak sve donedavno postojala je relativno dobro utvrđena granica između staničnih organizama, unutarstaničnih parazita i virusa koja se temeljila na tome posjeduje li neki mikroorganizam sve sustave za samostalan život, a prvenstveno se tu radi o komponentama sustava za sintezu proteina i proizvodnju energije. Čak i najprimitivniji unutarstanični paraziti, za razliku od virusa, posjeduju enzime koji sudjeluju u procesu sinteze proteina poput aminoacetil tRNA sintetaza, ribosomalnih proteina, vlasitih tRNA i slično. Ono gdje su obligatorni unutarstanični paraziti deficitarni u odnosu na stančne organizme jest nedostatak gena koji su potrebni za “proizvodnju” energije te stoga moraju parazitirati unutar stanica i koristiti njihove energetske sustave. Virusi, koji su također prisiljeni na život isključivo unutar stanica,  za još jedan su stupanj primitivniji od unutarstaničnih parazita jer im osim sustava za proizvodnju energije nedostaju i komponente sustava za sintezu proteina.

Stoga je otkriće Mimivirusa (od engl. microbe mimicking virus) prvog gigantskog virusa (Girusa) koji je 2003. godine izoliran iz amebe koja je obitavala u jednom rashladnom tornju u Engleskoj, a kasnije i drugih takvih virusa, bilo veliko znanstveno iznenađenje. Ovi virusi posjeduju specifična svojstava koja zamagljuju prethodno definiranu granicu između virusa i staničnih organizama. Naime, iako su kao unutarstanični fenomen opisani 1992. godine, u to vrijeme nisu bili prepoznati kao virusi već se mislilo kako se radi o novoj vrsti bakterije koja parazitira unutar ameba. Danas se zna da se radi o sasvim novim virusnim entitetima.¹  Tako je i uzorak iz Engleske bio prvotno svrstan među bakterije te je desetak godina proveo u zamrzivaču laboratorija sve dok ga jedan doktorand nije u sklopu svojeg istraživanja donio u Francusku: u laboratoriju danas vodećih stručnjaka za giganske viruse Dr.  Abergel i  Dr. Claverie identificiran je kao sasvim novi virus.

Nekoliko je karakteristika gigantskih virusa koje ih čine jedinstvenim u odnosu na sve dosad otkrivene viruse i to u tolikoj mjeri da se postavlja pitanje treba li redefinirati prije navedene granice među organizmima te samu evoluciju virusa. Jedna od nijhovih najznačajnijih odrednica jest za viruse neuobičajena veličina u rangu veličine bakterija, dakle staničnih organizama, a koja može sezati do jednog mikrometra što je moguće vidjeti i  svjetlosnim mikroskopom.

Odnosi veličina u biološkim sustavima

Slika je preuzeta iz https://socratic.org/questions/5720d05e7c01493ef1be9590

Njihova druga bitna odrednica jest izrazito velik genom u vidu dvolančane DNA koji doseže i do milijun parova baza i kodira od stotinu do tisuću gena, što je puno više u odnosu na prosječan virus koji ima oko desetak gena. No, ono što je najviše iznenadilo bilo je otkriće komponenti sistema za sintezu proteina koje su se smatrale zaštitnim znakom isključivo staničnih organizama.

Danas se gigantski virusi svrstavaju u skupinu tzv. nukleocitoplazmatskih velikih DNA virusa koja se trenutno sastoji od skoro desetak obitelji virusa koje imaju neke genomske i strukturalne sličnosti, no zasad se još ne može sa sigurnošću utvrditi imaju li i zajedničkog pretka. Na takvu mogućnost upućuje prisutnost četiri gena za aminoacil tRNA sintetaze kod mimivirusa te još tri dodatna takva gena u megavirusima. Stoga se pretpostavlja da bi ovi veliki virusi mogli nastati “otkidanjem” od genoma nekog zajedničkog pretka koji bi imao svojstva stanice i to procesom redukcije genoma do razine kada se više nisu mogli samostalno razmnožavati te su postali obligatorni paraziti. Od kojeg bi se to kompleksnijeg staničnog organizma mogli ovi virusi odvojiti u prošlosti nije poznato, no možda bi se čak radilo i o novoj, četvrtoj domeni života, no ova hipoteza još nije prihvaćena.²  Naravno legitimno je razmatrati i drugu mogućnost da su ovi veliki virusi nastali evoluiranjem iz manjih virusa koji su pokupili potrebne gene iz DNA svojih domaćina. Zašto još nema jednoznačnog odgovora na pitanje o porijeklu ovih virusa? S jedne strane giganski virusi posjeduju neke gene koji postoje u staničnim organizmima iz tri osnovne domene života (arheje, bakterije i eukarioti), a s druge strane posjeduju i gene koji nisu nikada prije identificirani u živim bićima te stoga ima argumenata i za jednu i za drugu postavljenu hipotezu.

Kako se radi o iznimno dinamičnom i novom području virologije, konačni zaključci moći se se izvesti tek u nekim budućim vremenima jer svakim danom izlaze nove studije na ovu temu. Posebno je interesantan pristup ovim istraživanjima temeljen na metagenomici. Metagenomika je istraživanje genetičkog materijala izoliranog iz uzoraka sakupljenih u okolišu. Ovaj pristup zaobilazi tradicionalno nasađivanje prikupljenih uzoraka na hranjive podloge kako se uobičajeno analiziraju uzorci u klasičnim mikrobiološkim analizama. Jasno je da se takvim metodama moglo analizirati samo ono što je raslo na takvoj podlozi što je, kako se danas zna, tek kap u moru mikroorganizama koji žive u nekom uzorku izdvojenom iz okoliša. Razvoj metoda sekvenciranja genoma omogućio je da se preskoči ovaj korak uzgoja te da se direktno sekvencira genom svih mikroorganizama u nekom uzorku. Tako se dobije zapravo šuma podataka iz koje se različitim računalnim algoritmima te korištenjem baza podataka sa postojećim sekvencama gena mikroorganizama uspijeva identificirati mikrobiološki sastav nekog uzorka. Upravo takvim metodama identificirane su i sekvence koje se nisu mogle upariti sa sekvencama već poznatih genoma mikroorganizama. Prisutnost ovakvog nalaza u uzorku može se stoga smatrati pokazateljem prisutnosti novog do sada neidentificiranog mikrorganizama.

Jean-Michel Claverie i Chantal Abergel (fotografija sa bloga Virology), vodeći istraživači divovskih virusa

Korištenjem metagenomike u radu objavljenom 2017. godine u Natureu u uzorku izoliranom iz  mulja prikupjenog u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda jedne tvornice u Klosterneuburgu u Austriji, otkriven je genom potencijalnog novog virusa koji je kodirao  aminoacil tRNA sintetaze koje su specifične za svih 20 aminokiselina što bi značilo da posjeduje cjelokupni set potreban za sintezu proteina. No, kako sam virus ovim pristupom nije izoliran, ne postoje podaci o njegovoj virusnoj čestici, morfogenezi kao niti informacije o domaćinu, stoga će ovo otkriće biti potpuno tek kada se uspije izolirati stvarna virusna čestica. Ipak autori na temelju filogenetskih analiza iznose hipotezu kako se u slučaju ovih virusa ne bi moglo govoriti o nastanku iz zajedničkog pretka svih gigantskih virusa, odnosno iz svojevrsne četvrte domene života, već je ovaj virus prema njima nastao iz nekog manjeg virusa koji je tijekom evolucije prikupio potrebne gene od stanica domaćina.³

No, pobornici hipoteze o postojanju četvrte domene života prigovaraju kako se dubinska filogenetska analiza na temelju viralnih sekvenci genoma i dalje smatra kontroverznom jer neki smatraju da je ona zapravo neizvediva zbog brze evolucije virusa te da je također neinformativna jer se većina sekvenci u genomu virusa neprestano transferira naizmjence između virusa i njegovog domaćina staničnog organizma.

Uz prije spomenuti veliki genom i komponente sustava za sintezu proteina, gigantski virusi također posjeduju i gene za umnažanje i popravak DNA te prepisivanje DNA u mRNA, što većina virusa s manjim genomom nije u stanju samostalno odraditi. Mogućnost popravka vlastite DNA je izrazito važna u slučaju da se moraju suočiti s oštećenjima genoma nastalim kao rezultat ionizirajućeg ili UV zračenja.

Vodeću ulogu u istraživanju gigantskih virusa imaju prije spomenuti francuski istraživački i životni par dr Abergel i dr Claverie. Nakon što su identificirali prvi gigantski virus, njihova potraga nastavila se na nekim od najegzotičnijih mjesta na svijetu poput otvorenog mora u Čileu, unutar amebe izolirane iz kontaktne leće pacijentice u Njemačkoj, vječnom ledu permafrosta koji se počeo otapati te potočićima uz jedno od sveučilišta u Melbournu. U početku se radilo o slučajnim otkrićima, no kasnije kako se više saznavalo o domaćinima gigantskih virusa i značajkama njihovog ciklusa, i mjesta na kojima ih se pokušavalo pronaći bila sve više ciljana.

U nukleocitoplazmatske velike DNA viruse između ostalog se danas ubraja obitelj Megaviridae u koju pripadaju neki od najvećih virusa ikada otkrivenih a inficiraju amebe. Genom ovih virusa sadrži oko 1100 gena koji kodiraju za proteine. Druga obitelj ove skupine su Pandoraviridae otkrivene 2013. godine u uzorku uzetom uz obalu Čilea a radi se o virusima veličine 1 mikrometra s dosad najvećim genomom od 2.5 milijuna parova baza koji također inficiraju amebe. Prvi virus iz ove obitelji također je otkrio tim francuskih znanstvenika predvođen već spomenutim supružnicima koji su svoje otkriće objavili u znanstvenom časopisu Science.⁴ Interesantno je da su ih već ranije 2008. godine zamijetili i znanstvenici iz Koblenza u amebi koja je izolirana sa kontaktne leće pacijentice s  keratitisom, no nisu ih smatrali virusima već endocitobiontima.⁵ Budući da više od 90 % genoma Pandoravirusa nije imalo sličnosti niti s jednim genomom dotada identificiranim na Zemlji istraživačima je to bilo poput otvaranja Pandorine kutije, te su tako i nazvali ove viruse.

Iako se može činiti samorazumljivim, kada se otkrije ovakav mikroorganizam postavlja se niz pitanja koja nisu nimalo trivijalna. Kako se ne zna jesu li opasni za ljude s njima se mora manipulirati s velikim mjerama predostrožnosti

U obitelj gigantskih virusa Pithoviridae zasada se svrstavaju dva virusa za koje se smatra da su tisućama godina bili zamrznuti u permafrostu Sibira te su tek nedavno otkriveni zbog klimatskih promjena i topljenja leda. Otkrio ih je opet slavni francuski istraživački par 2014. godine te je datiranjem pomoću C-14 utvrđeno da se radi o uzorcima  starim između 34 i 37 tisuća godina. Također se radi o velikim virusima od oko 1.5 mikrometara sa oko petstotinjak gena što je manje nego kod ostalih gigantskih virusa, stoga su ovi virusi više nalik standardnim virusima. Uz njih je također vezana i interesantna priča o tome kako je otkriveno da inficiraju amebe. Naime iako se može činiti samorazumljivim, kada se otkrije ovakav mikroorganizam postavlja se niz pitanja koja nisu nimalo trivijalna. Kako se ne zna jesu li opasni za ljude s njima se mora manipulirati s velikim mjerama predostrožnosti. Zatim se postavlja pitanje kako u laboratorijskim uvjetima identificirati koja im je meta koju inficiraju. Kako se radilo o istraživačima koji su već imali iskustva s giganskim virusima, novoizolirani virus Pithovirus sibericum uspješno je uzgojen u kulturi ameba. Gigantski virusi zapravo vrlo vjerojatno jedino i mogu napadati amebe ili bi se moglo čak reći da je situacija obratna budući da ih ameba zapravo proguta i na taj način virus ulazi u njenu unutrašnjost. Za ulazak u stanice čovjeka virusi su razvili puno sofisticiranije mehanizme koji su im ujedno ograničili i veličinu viralne čestice do koje je tako nešto uopće izvedivo. S ovim smo virusom dakle imali sreće, no daljnjim globalnim zatopljavanjem ostaje pitanje hoće li i drugi virusi otopljeni iz vječnog snijega i leda biti tako benigni za ljude.

Pithovirus, najveći ikad otkriveni virus, duži od 1.5 mikrometara, veći od ponekih bakterija, a čiji su neki geni jedinstveni u odnosu na bilo koje gene s ovog planeta (izvor fotografije https://www.quantamagazine.org/were-giant-viruses-the-first-life-on-earth-20140710)

Ovu priču o gigantskim virusima završit ću s dva najnovija otkrića iz Brazila i sa Havaja. U veljači je objavljeno otkriće dvaju novih virusa u Brazilu, prozvanih tupanvirusima koji imaju dosada najkompletniji set za sintezu proteina.⁶  Također ove godine u svibnju istraživači sa sveučilišta Havaji karakterizirali su gigantski virus koji inficira morske alge a koji ima dosad najveći genom identificiran u virusima koji napadaju fotosintetske organizme.⁷

Kako i sam Dr Claverie u šali kaže, ispada da gdje god da pogledaju, istraživači danas pronalaze neki gigantski virus, te je gotovo nevjerojatno kako već i ranije nisu bili opisani. Kako bilo, giganski virusi su mikroorganizmi koji su se funkcionalno najviše približili staničnim organizmima i pitanje što jest živo učinili još kompleksnijim.

Literatura:

1. La Scola B, Audic S, Robert C, Jungang L, de Lamballerie X, Drancourt M, Birtles R, Claverie JM, Raoult D (2003). “A giant virus in amoebae”. Science. 299 (5615): 2033. doi:10.1126/science.1081867. PMID 12663918.
2. Legendre, Matthieu; Defne Arslan; Chantal Abergel; Jean-Michel Claverie (2012). “Genomics of Megavirus and the elusive fourth domain of Life”. Communicative & Integrative Biology. 5 (1): 102–6. doi:10.4161/cib.18624. PMC 3291303 Freely accessible. PMID 22482024.
3. Schulz F, Yutin N, Ivanova NN, Ortega DR, Lee TK, Vierheilig J, Daims H, Horn M, Wagner M, Jensen GJ, Kyrpides NC, Koonin EV, Woyke T. Giant viruses with an expanded complement of translation system components. Science. 2017 Apr 7;356(6333):82-85. doi: 10.1126/science.aal4657.
4. Philippe, Nadège; Legendre, Matthieu; Doutre, Gabriel; Couté, Yohann; Poirot, Olivier; Lescot, Magali; Arslan, Defne; Seltzer, Virginie; Bertaux, Lionel; Bruley, Christophe; Garin, Jérome; Claverie, Jean-Michel; Abergel, Chantal (July 2013). “Pandoraviruses: Amoeba Viruses with Genomes Up to 2.5 Mb Reaching That of Parasitic Eukaryotes”. Science. 341 (6143): 281–286. Bibcode:2013Sci…341..281P. doi:10.1126/science.1239181. PMID 23869018

5. B Scheid P, Hauröder B, Michel R (2010). “Investigations of an extraordinary endocytobiont in Acanthamoeba sp.: development and replication”. Parasitol Res. 106 (6): 1371–7. doi:10.1007/s00436-010-1811-4. PMID 20393749
6. Abrahão J, Silva L, Santos Silva L, Khalil JYB, Rodrigues R, Arantes T, Assis F, Boratto P, Andrade M, Geessien Kroon E, Ribeiro B, Bergier B, Seligmann H, Ghigo E,Colson P, Levasseur A, Kroemer G, Raoult D, La Scola B. Tailed giant Tupanvirus possesses the most complete translational apparatus of the known virosphere.  Nature Communicationsvolume 9, Article number: 749 (2018)
7. https://phys.org/news/2018-05-giant-virus-oahu-hawaii.html