Virusi se ne razmnožavaju nego repliciraju. Na granici su živog i neživog. Ipak, evoluiraju

Slijedom karakteristika živih bića Tamara Čačev ispituje jesu li virusi živi ili nisu živi. Ne provode samostalno metaboličke procese, ne dišu, nemaju vlastitu sposobnost kretanja, ne rastu, nemaju sposobnost primanja podražaja ... Ipak, šire se i - što je posebno važno - evoluiraju.

• Naslovna ilustracija Freepik

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Čini se da nas ovih dana napadaju nevidljive sile prirode, one koje su vladale Zemljom puno prije nas. Kako o meteorima ili seizmologiji ne znam ništa, mogu vam samo probati približiti nevidljivi svijet virusa koji je u stanju preko noći urušiti dugo građeni mit o ljudskoj superiornosti i vladanju ovim planetom.

U normalnim okolnostima, virusi su tamo neka „bića“ koja nam tu i tamo naprave uglavnom benigne i rješive probleme, barem kad se radi o zemljama zapadnoga svijeta. Kada i čujemo za ziku i ebolu čini nam se kao da nam netko prepričava radnju nekog filma katastrofe i kako to zapravo i nije nečija stvarnost, sve dok se jednog dana ne probudimo u njoj.

Kako je moguće da nešto što i ne vidimo golim okom, nešto tako inferiornog genoma može imati takvu razornu moć i posijati takav strah i nesigurnost među nama ljudima, naviklim da za sve postoji neko rješenje? Kao odgovor na ovo pitanje možemo parafrazirati hit jedne naše pjevačice: „Malo mi za život treba“ i upravo je to ključ evolucijskog uspjeha virusa. Jer što imaš kompliciraniji lifestyle to si ranjiviji i podložniji nepredvidivim promjenama u okolišu. U ovom ste se sigurno pronašli, zar ne? Za utjehu, kad raspolažeš s puno različitih kompliciranih životnih procesa, možda se nađe i neko ad hoc rješenje među njima, a primjer za to je naš imunološki sustav koji „po mjeri“ proizvodi protutijela za veliki broj stvari s kojima se prvi put susretnemo u životu. Nažalost, ni on nije potpuno nepobjediv.

Vratimo se virusima: je li to nešto živo ili neživo? Navikli smo ih poistovjećivati s nekim „životinjicama“, jer nam se valjda tako lakše s njima nositi. No, kako bismo mogli odgovoriti na pitanje moramo prvo definirati što neki organizam čini živim. Postoji nekoliko karakteristika po kojima se nešto živo razlikuje od neživog.

Živa bića:

1) su metabolički aktivna, odnosno da to pojednostavljeno kažemo, moraju se hraniti a to znači uzimati tvari iz svoje okoline i prerađivati ih u spojeve koji im trebaju za izgradnju vlastitog organizma te za dobivanje energije za život. Energija je naravno potrebna kako bi se održao red i funkcioniranje složenih biokemijskih procesa u živim bićima. To je zašto se unatoč općoj tendenciji entropije i dalje držimo kao skup molekula na okupu. Jasno da za to treba uložiti energiju. Živa bića održavaju unutarnju dinamičku ravnotežu-tzv. homeostazu uz potrošnju energije koju dobivanju iz metaboličkih procesa.

2) dišu, ono što većina nas smatra disanjem jest udisanje kisika putem dišnih organa, no to je tek jedna od vrsti disanja u živom svijetu (iako definitivno najzastupljenija). U biokemijskom smislu na razini pojedinačnih stanica disanje je zapravo proces razgradnje tvari kako bi došli do energije za život, a to se može događati i u anaerobnim uvjetima čak i unutar naših vlastitih stanica.

3) kao rezultat metaboličkih aktivnosti i disanja nastaju različiti otpadni produkti kojih se živa bića rješavaju izbacivanjem-ekskrecijom

4)  kreću se, to je jasno za životinje, a naravno vrijedi i za biljke-prisjetite se primjerice suncokreta

5) rastu

6) razmnožavaju se

7) osjetljiva su na podražaje iz okoline poput svjetlosti,  gravitacije, različitih kemijskih tvari u okolini i slično.

U kontekstu ovakvog poimanja života, vratimo se natrag na viruse. Kako su oni zapravo otkriveni?

Ime virusa dolazi od latinskog korijena riječi koja označava otrov. To nije čudno jer se krajem devetnaestog stoljeća taj pojam počeo koristiti u kontekstu bolesti poput bjesnoće, kada je otkriveno da je uzrokuju čestice koje su se ponašale poput bakterija no bile su puno manje od njih.

U zlatno doba mikrobiologije, između dva svjetska rata, virusi su prvi puta kristalizirani. Kristalizacija makromolekula u biokemiji je izrazito bitna jer se time one dovode u oblik u kojem ih je moguće dalje proučavati u biokemijskom/biofizikalnom kontekstu. Prvi kristalizirani virus bio je virus mozaične bolesti duhana (slika 1) i tada je zaključeno kako se radi o molekularnom kompleksu koji ne posjeduje autonomne metaboličke funkcije niti ima biokemijske aktivnosti koje su karakteristične za živa bića te su virusi u to vrijeme bili nazivani i inertnim kemijskim spojevima. U kristalizaciji virusa mozaične bolesti duhana 1935. godine sudjelovali su znanstvenici sa sveučilišta Rockefeller u New Yorku predvođeni Wendellom Stanleyem koji je za ovo otkriće podijelio i  Nobelovu nagradu 1946. godine i to u području kemije.

Slika 1. Virus mozaične bolesti duhana. A) Sistemska infekcija lista duhana pruzeto s  https://www.apsnet.org/edcenter/apsnetfeatures/Pages/TMV.aspx B) virus mozaične bolesti duhana pod elektronskim mikroskopom preuzeto s https://ucmp.berkeley.edu/alllife/virus.html

Daljnjim istraživanjima utvrđeno je kako se virusi sastoje od nukleinske kiseline (DNA ili RNA) koja je obavijena proteinskim omotačem (kapsidom), a ponekad imaju i dodatni lipidni ovoj (Slika 2). Kada se otkrilo da virusi posjeduju nukleinske kiseline, više ih se nije moglo odbaciti kao puke kemijske otrove budući da znamo da ove molekule prenose genetičku informaciju i sadrže informacije o sastavljanju nekog (živog) organizma. Pa jesu li onda virusi uistinu živa bića?

Slika 2. Različiti primjeri građe virusa. Preuzeto s https://www.slideshare.net/MarcosRodriguez39/gcse-igcse-biology-by-syllabus-points

Krenimo ih stoga razmatrati u kontekstu definicije odlika živoga. Prvi kriterij koji smo naveli jest da mogu samostalno provoditi metaboličke procese i održavati unutarnju ravnotežu životnih procesa. Jesu li virusi to u stanju? Odgovor je ne. Oni ne mogu postojati u svoj svojoj punini izvan konteksta stanice čije metaboličke procese koriste. Mogli bi smo čak reći da parazitiraju na živim stanicama. Virusi napadaju i biljke i životinje i bakterije. Koriste njihovu energiju i procese biosinteze kako bi kopirali svoju nukleinsku kiselinu i izgradili proteine kojima je ta nukleinska kiselina obavijena. Zatim koriste transportne mehanizme u stanici kako bi iz nje izašli a nekad je jednostavno zbog toga i ubiju. Poneki se ugrade u genom matične stanice i tako prikriju i njihova se genetska informacija kopira zajedno s ostatkom genoma stanice te zatim virus širi svoje kopije dalje. Primjer takvih virusa su retrovirusi ili primjerice virus HPV. Izvan žive stanice virusi mogu egzistirati eventualno u nekom „hibernirajućem obliku“ te ukoliko ubrzo ne nađu novog domadara oni zapravo gube sposobnost inficiranja živih organizama. To vam je kad se spominje koliko neki virus može „preživjeti“ na nekoj površini, izvan stanica.

Dišu li virusi? Odnosno proizvode li samostalno energiju za svoju egzistenciju? Odgovor je i opet ne. Kao što koriste procese izgradnje stanice domaćina tako koriste i njenu energiju i kada se nalaze izvan žive stanice nisu u stanju samostalno proizvoditi energiju.

Kako ne provode samostalno metaboličke procese pretvorbe tvari i energije nego koriste mehanizme stanice domaćina njihova egzistencija izvan stanice ne proizvodi nikakve otpadne produkte pa prema tome nemaju niti svojstvo ekskrecije.

Kreću li se virusi? Sad biste rekli, pa da, kako ne, evo vidite da koriste i avione i vlakove jer zašto bismo inače zaustavljali sav promet. I uistinu, virusi se jako brzo šire ali ne zahvaljujući vlasitoj sposobnosti kretanja, oni su pasivno prepušteni kretanju svojeg domadara/prijenosnika i širenju kroz mehanizme njegove ekskrecije. U slučaju sadašnje epidemije virusi pasivno (ali jako efikasno) koriste čestice aerosola koje izbacujemo iz našeg dišnog sustava kako bi preskočili na nekog drugog domadara. Zapravo je to dug i mukotrpan proces i stoga se virusnih čestica mora i namnožiti u jako puno kopija kako bi statistički barem neke naišle na pogodnog domadara. Zamislite da netko primjerice kihne u Lici u nekom šumarku gdje je gustoća naseljenosti takva kakva jest, eventualno će prestrašiti nekog od medvjeda i usporedite to s primjerice kihanjem usred nekog autobusa javnog prijevoza.  A onda još zamislite da je taj autobus u nekom milijunskom gradu u Kini za koji nikad niste čuli.  I postaje jasno da ponekad izoliranost i život u nekoj pustoši ima i svojih prednosti.

Mogu li virusi rasti i razmnožavati se samostalno? Pod rastom se podrazumijeva svojstvo organizama da imaju život organiziran u obliku stanica koje imaju pojedine funkcionalne dijelove koji mogu samostalno obavljati različite zadaće, a također mogu se udruživati u kolonije ili tvoriti kompleksne tvorbe poput primjerice čovjekovog tijela. Mogu li virusi formirati takve tvorbe – odgovor je ne.

Virusi se nisu u stanju samostalno replicirati, a još se manje mogu  podijeliti na dvije „jedinke“ ako bismo to uzeli kao primjer najednostavnijeg oblika razmnožavanja

Mogu li se razmnožavati? Ne mogu izvan konteksta stanice, i ovdje bi pojam razmnožavanja kako ga shvaćaju biolozi zapravo bio krivo upotrebljen jer virusi u stanicama koriste mehanizme koji nisu njihovi kako bi se prekopirali – zato se i koristi pojam replikacija virusa, umjesto termina razmnožavanje. Virusi se nisu dakle u stanju samostalno replicirati, a još se manje mogu  podijeliti na dvije „jedinke“ ako bismo to uzeli kao primjer najednostavnijeg oblika razmnožavanja, a o kompleksnijim oblicima da i ne govorimo.

Imaju li virusi sposobnost primanja podražaja i reakcije na njih? Odgovor je također ne. Barem ne u onom klasičnom biološkom smislu, jer kada virus dolazi u blizinu stanice na nju se mora vezati i ovisno o tome je li to vezanje bilo uspješno dolazi do aktivacije različitih procesa kako na strani stanice ali i na strani samog virusa. Tako da u kontekstu međusobne interakcije stanice i virusa određena akcija i reakcija ipak postoji, no to se ne može smatrati konvencionalnim biološkim odgovorom kako ga biolozi shvaćaju u kontekstu opisivanja nečeg što ima svojstva živog organizma.

Dakle iz svega navedenog, prema biološkim kriterijima, virusi se ne smatraju živima, odnosno nalaze se na granici živog i neživog jer nemaju svojstva koja karakteriziraju neki živi organizam i ne mogu egzistirati dugo izvan živih organizama.

Pa ipak oni ulaskom u stanice živog organizma okupiraju njene životne procese, kopiraju svoju nukleinsku kiselinu, koriste mehanizme ekspresije gena postojeće stanice kako bi aktivirali gensku informaciju koju sami nose, a radi se o tek nekolicini virus-specifičnih gena koji moraju unutar stanice proizvesti virusne enzime koji su specifično potrebni za izgradnju samog virusa. U slučaju SARS-CoV-2 virusa radi se o molekuli RNA koja sadrži 15 gena. Čini se da bi takav „stvor“ trebao biti nesposoban za bilošto ozbiljno napraviti i on to uistinu i jest kada se nalazi izvan žive stanice, no kada je u svom domaćinu pretvara se u gotovo nepobjedivog protivnika.

Evolucijska strategija virusa ide u pravcu stvaranja ogromnog broja vlastitih kopija, pri čemu nije ni bitno, dapače poželjno je da to kopiranje ne bude baš ni previše precizno jer tako nastaju nove podvarijante virusa u nekim od milijardu čestica koje se proizvedu a koje su onda potencijalno još učinkovitije u tom svojem repliciranju. To je razlog zašto virusi (posebno RNA virusi) prilično brzo mutiraju. Dodatne probleme stvara i situacija kada se određeni domadar inficira različitim virusnim sojevima i oni tada unutar stanice mogu izmiješati svoje genome i na taj način dodatno ubrzati svoju evoluciju. U takvim se situacijama obično događa i mogućnost da preskoče s jedne vrste na drugu – primjerice sa šišmiša preko deve na čovjeka kako je to bio slučaj s MERS-om, a vjerojatno je sličnu putanju preskakanja imao i ovaj aktualni virus. Virusi dakle evoluiraju i to je možda jedan od bitnijih argumenata u korist toga da bi ih se moglo svrstati u živi svijet, budući da podliježu silama evolucije.

Kako znamo da se to događa? Zahvaljujući mogućnosti izolacije i sekvenciranja nukleinske kiseline virusa moguće je iz uzoraka dobivenih iz različitih potencijalnih domadara kao i istih domadara (primjerice ljudi) s različitih strana svijeta utvrditi na temelju položaja i broja pojedinih mutacija u sekvenci kojom su se kronologijom one događale. Tako možemo i utvrditi kojim smjerom je virus putovao. Primjer ste imali nedavno kada je utvrđeno da se „talijanski“ soj  SARS-CoV-2 virusa razlikuje od kineske verzije. Na ovaj način virusi mogu postati i benigniji i opasniji.

No, evolucijska strategija virusa je većinom da ne ubije svojeg domadara već da ga što manje onesposobi kako bi on mogao virus širiti dalje. Stoga jako smrtonosni virusi u principu imaju ograničenu lokalizaciju i doseg te (sve do situacije današnjeg globalnog sela) nisu ni izlazili iz okvira lokalnih zajednica koje su zarazili. Čak i kada bi se proširili izvan svojeg lokaliteta, primjerice poput nekih osoba koje su putovanjem iz Afrike prenijele ebolu na svoj lokalitet, kako se radi o bolesti koja brzo onesposobljava domadara, mogućnost širenja virusa je ograničena.

Dobro, možda nisu baš živi, no jesu li mrtvi? Ako smrt definiramo kao prekid biološke funkcije živog organizma onda kako virusi nisu bili živi ne možemo reći ni da su mrtvi. Njihove aktivne čestice koje imaju sposobnost inficiranja stanica neko relativno kratko vrijeme od nastanka u živoj stanici ne možemo smatrati živima, kao što je zapravo i pojam umrtvljenosti koji se recimo koristi kod definiranja nekih antivirusnih cjepiva zapravo u biološkom kontekstu ne stoji te je bolje koristiti pojam atenuacije ili inaktivacije. Virusi su baš to granični – neživi biološki entiteti dok ne „ožive“ u stanicama.

I sad kad smo mislili da smo koliko-toliko razjasnili što virusi jesu i nisu, eto nam i relativno nedavno otkrivenih  priona, infektivnih proteinskih čestica bez nukleinskih kiselina koji također imaju svojevrsno ograničeno svojstvo samoumnažanja unutar živih stanica. Sjećate se kravljeg ludila, e pa to vam je to, a ima ideja kako su i neke neurodegenerativne bolesti poput ALS, Parkinsonove ili Alzheimerove bolesti našim organizmom šire poput prionskih bolesti, ali o tome nekom drugom prilikom.