Инопланетянин из градирни
Гигантские вирусы и что же такое вирус
Всюду, где на Земле есть вода, есть жизнь. Вода в гейзерах Йеллоустона, в лужицах Пещеры кристаллов или в градирне на крыше больницы.
В 1992 г. микробиолог Тимоти Роуботэм взял пробу воды из градирни больницы в английском городе Брадфорде. Он поместил ее под микроскоп и увидел бушующую стихию жизни. Там были амебы и другие одноклеточные величиной с человеческую клетку. Там были бактерии, мельче примерно в 100 раз. Роуботэм искал причину вспышки пневмонии, разбушевавшейся в Брадфорде. Среди микроорганизмов, обнаруженных им в воде из градирни, нашелся, как ему показалось, подходящий кандидат — шарик размером с бактерию, сидевший внутри амебы. Роуботэм решил, что открыл новую бактерию, и назвал ее в честь своего города Bradfordcoccus.
Несколько лет Роуботэм пытался понять, что такое Bradfordcoccus и был ли он виновником вспышки пневмонии. Он пытался определить генотип патогена, сравнивая с генотипами других видов бактерий. Но совпадений не находилось. В 1998 г. сокращение финансирования вынудило его закрыть лабораторию. Но вместо того, чтобы уничтожить свой загадочный Bradfordcoccus, он попросил французских коллег сберечь образцы.
На несколько лет про Bradfordcoccus забыли, пока Бернар Ла Скола из Средиземноморского университета не решил исследовать его повторно. Как только он поместил образцы Роуботэма под микроскоп, он понял, что с ним что-то не так.
Bradfordcoccus не обладал гладкой поверхностью шаровидных бактерий. Скорее он походил на футбольный мяч, состоящий из множества плотно прилегающих друг к другу пластинок. А еще Ла Скола увидел, что из этих пластинок во все стороны торчат тонкие, похожие на волоски, нити белка. Единственными известными организмами в природе с подобными оболочками и нитями были некоторые виды вирусов. Но Ла Скола, как и все микробиологи того времени, знал, что нечто такого размера, как Bradfordcoccus, не может быть вирусом, ведь оно было в 100 раз больше.
И все-таки Bradfordcoccus оказался именно вирусом. При дальнейших исследованиях Ла Скола и его коллеги обнаружили, что он размножается, внедряясь в амеб и заставляя их производить свои новые копии. Таким способом размножаются только вирусы. Команда Ла Скола дала Bradfordcoccus новое наименование, отражающее его вирусную природу. Его назвали мимивирусом, в том числе из-за его способности мимикрировать под бактерию.
Французские специалисты задались целью проанализировать гены мимивируса. Роуботэм пытался — и неудачно — сопоставлять его гены с генами бактерий. Французским ученым посчастливилось больше. Гены мимивируса оказались вирусными, и их было много. До открытия мимивирусов ученые привыкли находить у вирусов лишь несколько генов. Но у мимивируса 1018 генов. Это выглядело так, будто кто-то взял геномы вирусов гриппа, простуды, оспы и еще сотни других вирусов и засунул их все в одну белковую оболочку. Генов у мимивируса оказалось даже больше, чем у некоторых видов бактерий. И по размеру, и по количеству генов мимивирус нарушал главные правила вирусов.
Свой первый доклад об удивительном мимивирусе Ла Скола и его коллеги опубликовали в 2003 г. Их интересовало, единственный ли он в своем роде. Возможно, существовали другие гигантские вирусы, прятавшиеся у всех на виду. Они собрали воду в градирнях Франции и добавили в нее амеб, чтобы посмотреть, не заразит ли их какой-нибудь патоген, содержащийся в воде. Вскоре амебы стали лопаться, выпуская наружу гигантские вирусы.
Но это не были мимивирусы. Это был другой вид, с 1059 генами, установивший новый рекорд по величине генома среди вирусов. Хотя новый вирус внешне очень походил на мимивирус, его геном существенно отличался. Когда исследователи сравнили гены нового вируса с генами мимивируса, совпало лишь 833 из них. Остальные 226 оказались уникальными. К охоте подключились другие ученые, и гигантские вирусы стали обнаруживать повсюду: в реках, океанах, в озерах, погребенных под антарктическими льдами. На морском дне у побережья Чили были найдены гигантские вирусы с 2556 генами — на данный момент это рекордный размер вирусного генома.
Оказалось, что гигантские вирусы прячутся даже в организме животных. В сотрудничестве с бразильскими учеными Ла Скола и его коллеги изучали образцы сыворотки крови млекопитающих. Они нашли антитела к гигантским вирусам у коров и обезьян. Кроме того, гигантские вирусы были выделены у людей, в том числе у одного больного пневмонией. Пока еще неясно, какую роль гигантские вирусы играют для нашего здоровья. Может быть, они способны напрямую поражать наши клетки или могут затаиться без вреда для нас в амебах, проникающих в наш организм.
История гигантских вирусов позволяет понять, как мало нам пока еще известно о виросфере. И она придает второе дыхание давней дискуссии: что же такое вирус?
Как только ученые начали что-то узнавать о молекулярном составе вирусов, они поняли, что вирусы фундаментально отличаются от привычных форм клеточной жизни. Получив кристаллы вируса табачной мозаики в 1935 г., Уэнделл Стэнли поколебал представления о границе, отделяющей живое от неживого. В кристаллической форме его вирус вел себя как лед или алмаз. Но, попав на табачный куст, он размножался, как всякое живое существо.
Затем, когда ученые стали внимательнее присматриваться к молекулярной биологии вирусов, многие из них решили, что они всего лишь жизнеподобны, но на самом деле не живые. Все вирусы, изученные на тот момент, содержали по несколько генов каждый — от бактерий их отделяла огромная генетическая пропасть. Немногочисленные гены, входящие в состав вирусов, позволяли им выполнять простейшие задачи по созданию новых вирусов: проникать в клетку и внедрять свои гены в ее биохимические фабрики. У вирусов отсутствовали все гены, свойственные полноценным живым организмам. Так, исследователи не обнаружили у вирусов инструкций по созданию рибосомы — молекулярной фабрики по синтезу белков на основе РНК. Не было у вирусов и генов ферментов, расщепляющих необходимую для роста пищу. Иными словами, у вирусов, по-видимому, не хватало существенной части генетической информации, чтобы действительно быть живыми.
Тем не менее теоретически вирус, вероятно, способен обзавестись этой информацией и по-настоящему ожить. В конце концов, вирусы не высечены в камне. Благодаря случайной мутации какие-то из их генов могут удвоиться, возникнут новые копии, которые затем возьмут на себя новые функции. Либо вирус может случайно захватить гены другого вируса или даже хозяйской клетки. Его геном будет расширяться, пока он не сможет питаться, расти и делиться самостоятельно.
Хотя допустить вероятность подобной эволюции вирусов в направлении к жизни было несложно, ученые видели на этом пути огромное препятствие. Организмы с большими геномами нуждаются в надежном механизме копирования. С увеличением генома растет и вероятность вредных мутаций. Мы оберегаем наш гигантский геном от этого риска с помощью ферментов, исправляющих ошибки, как это делают другие животные, растения, грибы, простейшие и бактерии. Однако у вирусов таких ферментов нет. Поэтому ошибки копирования у них происходят во много раз чаще, чем у нас, — больше чем в тысячу раз.
Высокая скорость мутирования вирусов может накладывать ограничения на размер их генома, а значит, мешать им стать истинно живыми. Если геном вируса становится слишком большим, вероятность летальной мутации возрастает. Следовательно, естественный отбор у вирусов должен благоприятствовать маленьким геномам. Если это так, то вирусам, возможно, негде разместить гены, которые позволили бы им обращать простые молекулы в новые гены и белки. Они не могут расти. Они не могут освобождаться от отходов. Они не могут защититься от жары и холода. Они не могут размножаться делением.
Из всех этих «не» складывалось одно большое, сокрушительное «НЕ». Вирусы не живые.
«Всякий организм состоит из клеток», — заявил микробиолог Андре Львов в своей нобелевской лекции 1965 г. Не будучи клетками, вирусы считались не более чем мусорным генетическим материалом, который просто в силу удачного химического строения получил возможность размножаться внутри клеток. В 2000 г. Международный комитет по таксономии вирусов закрепил это представление официально. «Вирусы не относятся к живым организмам», — прямо заявил он.
Комитет обозначил жесткую границу между вирусами и живым миром. Но спустя несколько лет после открытия гигантских вирусов эта граница стала размываться. Если характерный признак вируса — малый размер генома, то сложно считать вирусами столь гигантские организмы. Науке неизвестно, что гигантские вирусы делают со всеми своими генами, но есть подозрение, что это очень напоминает жизнедеятельность. Некоторые гены гигантских вирусов кодируют ферменты, способные восстанавливать ДНК. Возможно, они используют эти ферменты, чтобы устранять повреждения, полученные при перемещении от одной хозяйской клетки к другой. Многие гигантские вирусы несут гены ферментов, осуществляющих сборку белков — задачу, которую ученые считали посильной лишь для клеточных форм жизни. Возможно, гигантские вирусы наполняют клетку хозяина этими ферментами для сборки белков, чтобы перенаправить ее метаболизм в новом направлении, полезном для вируса.
И когда гигантские вирусы внедряются в амебу, они не рассеиваются молекулярным облачком. Вместо этого они создают крупную, сложную структуру — вирусную фабрику. Через одни ворота фабрика принимает сырье, а затем через двое других выпускает новые ДНК и белки. Для осуществления как минимум части этой биохимической работы гигантские вирусы могут использовать собственные гены.
Иными словами, вирусная фабрика гигантского вируса по внешнему виду и по функциям удивительно похожа на клетку. Более того, она настолько похожа на клетку, что, как обнаружили Ла Скола и его коллеги в 2008 г., ее может заражать собственный вирус. Этот новый тип вируса, получивший название вирофага, пробирается на вирусную фабрику и обманом заставляет ее производить вирофаги вместо гигантских вирусов.
К 2019 г. ученые обнаружили десять различных вирофагов. Они отлично чувствуют себя повсюду, от антарктических озер до кишечника овцы, и, по-видимому, их предстоит открыть еще немало. Вирофаги — не просто паразиты паразитов. Они приносят пользу клеточным формам жизни, убивая гигантские вирусы, вызывающие заболевания. Даже если сама хозяйская клетка погибает от заражения гигантским вирусом, вирофаги все-таки сокращают количество вирусов, убивающих другие клетки. Ученые обнаружили, что водоросли, заселенные вирофагами, дают более обильное цветение, вероятно потому, что обладают защитой против гигантских вирусов.
Эти исследования наводят на мысль, что для вирофагов и клеток работает правило «враг моего врага — мой друг». Некоторые клетки хозяина даже позволяют вирофагам хранить их гены в своей ДНК. Гены вирофага пробуждаются только тогда, когда хозяина заражает гигантский вирус. Они собираются в новые вирофаги и атакуют захватчика. Еще одна размытая граница: является ли вирофаг самостоятельным вирусом или оружием хозяйской клетки? Возможный ответ: это ложная дилемма. Интересы вирофага и хозяйской клетки совпадают: они оба хотят уничтожать гигантские вирусы ради собственного блага.
С точки зрения науки проводить разграничительные линии в природе бывает полезно, но, когда дело доходит до понимания сути живого, эти границы могут оказаться искусственными барьерами. Вместо того чтобы пытаться определить, чем вирусы отличаются от других живых существ, возможно, имеет смысл подумать о том, как вирусы и другие организмы образуют континуум. Человек — неразрывное единство млекопитающего и вируса. Не будь наших вирусных генов, мы бы умирали во чреве матери. Возможно также, что от нашей вирусной ДНК зависит наша защита от инфекций. Часть кислорода, которым мы дышим, производится в процессе взаимодействия вирусов и бактерий в океанах. Это единство — не заданная комбинация, а постоянно меняющийся поток. Океаны — живая матрица генов, снующих между хозяевами и вирусами.
Хотя очевидно, что гигантские вирусы служат мостиком между обычными вирусами и клеточной жизнью, еще не ясно, как они достигли этого двойственного статуса. Одни исследователи утверждают, что вначале это были обычные вирусы, которые затем наворовали добавочных генов у своих хозяев. Другие, напротив, считают, что гигантские вирусы существовали еще на заре клеточной жизни, а от них произошли более «вирусоподобные» формы.
Проведение четкой границы между живым и неживым не просто затрудняет понимание природы вирусов. Оно усложняет толкование происхождения жизни. Ученые все еще бьются над этим вопросом, но ясно одно: жизнь не возникла внезапно по нажатию большой космической кнопки. Скорее всего, жизнь зарождалась постепенно, по мере того как простые исходные ингредиенты вроде сахара и фосфатов соединялись во все более сложных реакциях на древней Земле. Так, например, одноцепочечные молекулы РНК могли постепенно разрастаться и приобретать способности к самокопированию. Попытки установить момент времени, в который эта РНК-жизнь вдруг «ожила», только отвлекают нас от постепенного перехода к той жизни, какой мы ее знаем сегодня.
В мире РНК жизнь, вероятно, представляла собой не более чем плавучие комбинации генов, которые иногда благополучно развивались, а иногда на них обрушивались другие гены, ведущие себя подобно паразитам. Некоторые из этих древних паразитов могли дать начало первым вирусам, которые продолжали размножаться вплоть до нынешнего времени. Французский вирусолог Патрик Фортер предполагает, что в РНК-мире вирусы изобрели двуцепочечную ДНК как средство защиты своих генов от нападения. В итоге их хозяева переняли их ДНК, которая впоследствии распространилась по всему миру. Иными словами, вся известная нам жизнь, возможно, не появилась бы без вирусов.
В конце концов, похоже, мы возвращаемся к исконному двоякому смыслу слова «вирус», когда-то подразумевавшему либо животворную субстанцию, либо смертоносный яд. Вирусы и вправду чрезвычайно смертоносны, но они дали миру некоторые из важнейших инноваций. Созидание и разрушение снова сливаются воедино.
