Biologiaj kaj komputilaj virusoj fundamente ne tiom malsamas. Ili estas informoj, kiuj infektas alian sistemon, esperante ke tiu sistemo kopios ilin. La distingo estas ke viruso ne konsistas el ciferecaj, sed el genetikaj informoj. Ili estas faritaj el molekuloj anstataŭ nuloj kaj unuoj. Kompare al eĉ la plej simplaj vivantaj organismoj, la strukturo de virusoj estas ege simpla. Virusoj ne bezonas esti tro kompleksaj, pro tio ke ili kaperas la infrastrukturon de la ĉelo kaj ne bezonas mem konstrui la strukturojn necesajn por produkti la necesajn molekulojn por reprodukti sin, aŭ por kopii la genetikajn informojn.

Historio de virusoj

Unu el la plej grandaj paŝoj de la studado de malsanoj okazis en la 17a jarcento, kiam oni komencis uzi mikroskopojn por studi mikroorganismojn. La Brito Robert Hooke unue uzis la vorton ”ĉelo” en sia libro Micrographia, kiam li priskribis pecon da korko, kiun li observis. Dume, la Nederlandano Antoni van Leeuwenhoek observis vere ĉion sub sia propra mikroskopo kaj skribis pri tio al la Reĝa Societo de Londono. Malgraŭ tio ke li opiniis ke li bone prizorgis la dentojn, li observis la blankan materialon inter la dentojn per sia mikroskopo kaj trovis etajn organismojn. Tiuj organismoj estis bakterioj. Ekde kiam oni sciis pri la ekzisto de bakterioj, sciencistoj komencis ligi specifajn bakteriojn al specifaj malsanoj. Unu el la iloj en tiuj esploroj estas Chamberland-filtriloj, kiuj tralasas likvaĵojn, sed ne pli grandajn objektojn kiel bakteriojn. En la 19a jarcento, sciencistoj kiel Adolf Mayer, Dmitrij Ivanovskij kaj Martinus Willem Beijerinck esploris la mozaik-malsanon, kiu infektis plurajn ekonomie gravajn plantojn kiel tabakon, per tia filtrado. La akvo fluis tra la filtriloj, sed neniuj bakterioj estis apartigitaj kaj la akvo daŭre povis infekti plantojn. Beijerinck priskribis la strangan malsanon kiel ”contagium vivum fluidum”, aŭ ”kontaĝa vivanta likvaĵo”. Ili malkovris la unuan viruson kaj la tabakmozaikviruso ankoraŭ estas unu el la plej gravaj virusoj por edukado kaj esplorado. Nun oni scias ke virusoj ne estas likvaĵo, sed konsistas el etaj partikloj inter 20 kaj 300 nm grandaj (1nm = 0,000001mm). Tio estas malpli granda ol la ondolongoj de videbla lumo, kio signifas ke oni ne povas distingi ilin per optika mikroskopo. Daŭris ĝis la 30aj jaroj de la 20a jarcento ĝis oni malkovris la elektronan mikroskopon kaj aliajn teĥnologiojn, kiuj ebligis la pristudadon de virusoj kiel individuaj partikloj. Kaj hodiaŭ oni trovis virusojn kun multaj malsamaj strukturoj kaj metodoj de infektado.

Desegnaĵo de Robert Hooke el Micrographia de korko sub mikroskopo

Kio estas viruso

Virusa partiklo, aŭ virusero, konsistas el ujo el proteinoj, kiu enhavas la genetikajn formojn. Tiuj informoj povas esti konservataj per DNA-molekulo, sed plej ofte, virusoj uzas RNA anstataŭ DNA. Tio estas notinda fakto, ĉar malgraŭ tio ke ĉeloj uzas RNA por pluraj taskoj, kiel la trano de DNA al proteinoj, neniu ĉelo uzas RNA por longtempa konservado de genetikaj informoj. Ankaŭ la minimalismo de la virusa RNA estas mirinda. Kutima viruso enhavas ĉirkaŭ 3 000 ĝis 30 000 nukleobazoj, aŭ literoj, da RNA. Homo havas 3 miliardojn kaj E. coli, ofte uzata bakterio en laboratorioj, havas ĉirkaŭ 4,6 milionojn. Ili ankaŭ spertas tre multajn mutaciojn. Por ĉiam evolui sufiĉe rapide por kontraŭi la imunsistemon, ili mutacias tiom multe kiel eblas.

Kopii genojn

Estas du lokoj en la ĉelo, kiuj estas speciale gravaj por la kopiado kaj tradukado de informoj. Unue estas nukleo, kiu enhavas la DNA, kaj due estas la ribosomoj, molekulaj maŝinoj, kiuj kapablas konstrui proteinojn. Bakterioj ne havas nukleon, sed malpli regulan strukturon sen apartiga membrano. Ili ja havas ribosomojn. DNA-molekuloj estas tre longaj kaj enhavas multajn genojn, do labori per ili malfacilas. Pro tio, la ĉelo dum sia kutima agado kopias nur la parton de la DNA kiun ĝi bezonas al RNA-molekulo. Tiu RNA molekulo enhavas nur la kodon por la proteino, kiun la ĉelo bezonas kaj povas eskapi el la ĉelkerno. Post tio, ĝi iras al la ribosomo, kiu legas la kodon sur la RNA kaj konstruas proteinon laŭ tiu kodo. Virusoj sukcesis haki tiun sistemon kaj povas uzi la molekulojn maŝinojn de la ĉelo por sia propra profito, ofte mortigante la ĉelon. Por fari tion, ekzistas multaj metodoj.

Invadi la ĉelon

Antaŭ io ajn povas okazi, la viruso devas iri en la ĉelon. Kiel ĝi faras tion dependas de la tipo de viruso kaj de ĉelo, kiun ĝi infektas. Animalaj ĉeloj, do ankaŭ tiuj de homoj, havas membranon el grasaj molekuloj, kiuj nomiĝas lipidoj. Unu maniero por fari tion nomiĝas ”endocitozo”. Tio estas procezo, per kiu la ĉelo povas moviĝi ĉirkaŭ iun eksteran objekton kaj krei vezikon ĉirkaŭ ĝi el sia membrano, kiun ĝi absorbas. Tiu metodo estas uzata interalie por nutrado, sed kiam la veziko enhavas virusojn, ili povas facile eniri. Aliaj virusoj havas propran membranon, kiun ili ŝtelis de la ĉelo en kiu ili konstruiĝis. Pro tio ke la membrano surhavas signalmolekulojn de tiu ĉelo, la viruso aspektas kiel kutima ĉelo al la korpo kaj ne estas atakata. Kiam ĝi alproksimiĝas la vera ĉelo, la membranoj povas kunfandiĝi kaj la viruso povas eniri. En ambaŭ kazoj, la proteina kapsido estas detruata de enzimoj en la ĉelo, kio liberigas la DNA aŭ RNA. Virusoj, kiuj invadas bakteriojn nomiĝas bakteriofagoj. Ili bezonas specialajn trukojn, pro tio ke bakterioj havas ne nur ĉelmembranon, sed ankaŭ ĉelmuron el karbonhidratoj kaj proteinoj. Ili ligas sin al specifaj partoj de la ĉelmuro kaj injektas sian DNA aŭ RNA kiel injektilo.

Malsamaj formoj de endocitozo de https://www.scientificanimations.com/

Bakteriofagoj kiel medicino

En la komenco de la 20a jarcento, oni komencis esplori la eblecojn de bakteriofagoj kiel kuraciloj kontraŭ bakteriaj malsanoj. Bakteriofagoj estas multe pli specifaj ol antibiotikoj, kiuj povas ataki ankaŭ bonajn bakteriojn kaj ili povas kunevolui kun la bakterioj, kio influas kiom facile bakterioj iĝas rezistemaj kontraŭ ili. Bedaŭrinde ili estas multe malpli facile uzeblaj ol antibiotikoj, pro tio ke oni devas unue kreskigi la bakterion ekster la korpon de la malsanulo por trovi la taŭgan bakteriofagon kaj tio povas daŭri kelkajn tagojn. Tio kaŭzis ke dum tre longa tempo antibiotikoj estis la preferataj medicinoj en interalie Okcidenta Eŭropo kaj Nordameriko, sed hodiaŭ oni pli kaj pli serĉas alternativojn, pro tio ke bakterioj iĝas ekrezistas kontraux antibiotikojn. En laboratorioj kiel tiuj de la Eliava Instituto en Tbiliso, la ĉefurbo de Kartvelio, oni esploras bakteriofagojn kiel unu el la eblaj solvoj kaj provas krei sekurajn kuracmetodojn surbaze de bakteriofagoj, kiuj sekvas altajn kvalitnormojn.

Bakteriofagoj, kiuj atakas bakterion de Dr Graham Beards

Kaperi la hardvaron

Multaj RNA-virusoj rekte pretas por tradukado de la ribosomo. Iliaj genoj priskribas la proteinojn kiel la polimerazon, kiu kopias la RNA, la proteinojn el kiuj konsistas la kapsido kaj proteinoj, kiuj kontraŭlaboras la ĉelon kaj finfine eĉ mortigas ĝin. Specife la kapsido estas interesa, ĉar ĝi uzas genetikajn informojn mirinde efike. Preskaŭ ĉiuj virusaj kapsidoj estas tre simetriaj, por ke la samaj informoj povu esti uzataj plurfoje. Tre ofta formo estas ekzemple la dudekedro: pli-malpli sfera formo, kiu konsistas el 20 trianguloj. Tiuj trianguloj konsistas el nur unu, du aŭ tri proteinoj, kies strukturo kaŭzas ke ili povas stabile konektiĝi nur kun la ĝusta flanko en la ĝusta angulo per intermolekulaj fortoj. La genoj kaptiĝas en la kapsido, pro tio ke la enaj flankoj de la kapsidaj proteinoj havas strukturon, kiu facile interagas kun RNA, do kiam ili hazarde kolizias, la RNA kvazaŭ gluiĝas al la proteino. Ankaŭ ekzistas aliaj strukturoj kiel fibroj. Estas DNA-virusoj, kiuj funkcias pli-malpli same, sed antaŭ ol la tradukado de la DNA, ili unue kaperas la proteinojn de la ĉelo, kiujn ĝi uzas por kopii informojn de DNA al RNA.

Komputila modelo de dudekedra kapsido de Thomas Splettstoesser

Retrovirusoj

Ekzistas virusoj, kiuj invadas ĉelojn per eĉ pli intimaj metodoj. Ili estas la retrovirusoj. Retrovirusoj estas RNA-virusoj, kiuj havas la genon por tre speciala proteino, nome inversa transskribazo. Dum kutimaj ĉeloj nur povas transdoni informojn de DNA al RNA kaj ne inverse, inversa transskribazo povas krei DNA el RNA. Kiam retroviruso invadas la ĉelon, ĝi igas la ĉelon krei tiun proteinon por konverti sian proprajn genojn al DNA kaj poste tranĉas la DNA-fadenojn de la ĉelo por intermeti ĝin. Tiumaniere, la ĉelo ade kopios la genojn al novaj RNA-molekuloj kaj kreos novajn virusojn kaj kiam la ĉelo reproduktas sin, ĉiuj idoj de la infektita ĉelo enhavos la genojn de la viruso. Kiam tio okazas en kutima ĉelo, la organismo povas iĝi severe malsana, sed kiam tio okazas en spermatozoo aŭ ovolo, la viruso DNA povas esti transdonata al la idoj de la organismo.

La enmetado de la retrovirusa DNA. La retrovirusa DNA estas ruĝa kaj la DNA de la ĉelo estas nigra. Bildo de Mary K. Lewinski, Masahiro Yamashita, Michael Emerman, Angela Ciuffi, Heather Marshall, Gregory Crawford, Francis Collins, Paul Shinn, Jeremy Leipzig, Sridhar Hannenhalli, Charles C. Berry, Joseph R. Ecker, Frederic kaj D. Bushman

Fosiliaj virusoj kaj placentoj

Kvankam kelkaj retrovirusoj estas la kaŭzo de teruraj malsanoj, kiuj povas esti ne aŭ tre malfacile kuraceblaj, aliaj retrovirusoj estas grava parto de tiuj, kiuj ni estas kiel homoj. Pli ol 5% de la homa genaro konsistas el DNA, kiu origine venis de virusoj. Multaj el tiuj genoj jam estis parto de homa evoluo dum milionoj da jaroj, eĉ antaŭ ol modernaj homoj ekzistis, kvankam la plejparto el ili ne plu kapablas produkti la viruson. La influo de virusoj sur la evolua historio de homoj certe ne estas ignorebla kaj kelkaj virusoj eĉ havis bonajn efikojn. En placentaj mamuloj, ekzemple, la fetaj ĉeloj ĉe la limo inter la ĉeloj de la feto kaj la patrino kunfandiĝas, por ke neniuj truoj restu, tra kiuj blankaj sangoĉeloj povas trairi. Tio gravas, pro tio ke la fetaj ĉeloj estas fremdaj al la imuna sistemo de la patrino kaj la blankaj sangoĉeloj povus kaŭzi reagon de la imuna sistemo. Ĉi tiu funkcio estas tre grava por la kreskado de la feto, sed ĝia origino ne estas tute besta. Por la kunfandiĝo de la ĉeloj, la feto bezonas proteinon, kiu nomiĝas sincitino, sed tiu proteino origine venis de viruso, kiu uzis ĝin por kunfandiĝi kun ĉeloj. Krom la biologiaj avantaĝoj, kiujn kelkaj retrovirusoj ofertas, ili ofertas ankaŭ sciencajn kaj teĥnologiajn eblecojn. Ili povas interalie esti uzataj kiel fosilioj kaj komparataj inter malsamaj organismoj por lerni ion pri la evolua historio de la organismo, sed ankaŭ de la viruso, kiu kompreneble ne povas fosiliiĝi laŭ la kutimaj metodoj. Aldone, retrovirusoj povas esti uzataj por artefarite enmeti genojn en organismoj, kio estas bona ilo en laboratorioj kaj povus gvidi al novaj kuraciloj.

Gigantaj virusoj

Ankaŭ estas virusoj, kiuj igas la limojn inter virusoj kaj vivantaj organismoj eĉ pli svagaj. Mimivirus ekzemple, estas DNA-viruso, kiu infektas amebojn. Je 750nm, ĝi estas tiom granda ke ĝi videblas per optika mikroskopo kaj oni unue eĉ identigis ĝin kiel parazitan bakterion. Ĝi konsistas el dudekedro, kovrita de fibroj kaj enhavas tre multe da DNA. Ĝiaj 1,2 milionoj da bazparoj enhavas la kodojn por pli ol 900 proteinoj, el kelkaj ne estas trovataj en aliaj virusoj, kiel gravaj proteinoj por la molekulaj maŝinoj, kiuj tradukas gentikajn informojn. La mirinda grandeco de Mimivirus povas esti la rezulto de imito. La ameboj, kiujn ĝi infektas, ĉasas bakteriojn kaj por aktivigi la endocitozon, la predo devas esti sufiĉe granda. La virusoj povas imiti tian predon per kungluiĝi, sed tio kompreneble pli facilas se la virusoj estas pli grandaj, do ekzistas evolua premo al grandeco. Pri la origino de la giganta genaro de Mimivirus ankoraŭ ekzistas scienca debato. Kelkaj argumentas ke la viruso ekis simple kaj ŝtelis pli kaj pli da genoj de ĝiaj gastigaj ĉeloj, sed oni trovis tro malmulte da similecoj inter la genoj de la viruso kaj tiuj de vivantaj ĉeloj. Alternativo estas ke la viruso komenciĝis kiel la disvolviĝanta nukleo de primitiva ĉelo, kiu ade perdis funkciojn, sed la rapida mutaciado kaj interŝanĝado de genetikaj informoj igas la sekvadon de tiuj spuroj malfacila.

Bildo de Mimivirus per elektrona mikroskopo de Ghigo E, Kartenbeck J, Lien P, Pelkmans L, Capo C, Mege JL kaj Raoult D.

Petveturanto

Alia surpriza fakto pri Mimivirus estas ke ĝi tiom kompleksas ke ĝi mem povas esti infektiĝi de viruso. Kiam oni esploris kiel Mimivirus infektas ĉelojn, oni trovis duan viruson, kiu nur povas kunekzisti kun Mimivirus. Tian viruson oni nomas ”sateliton” kaj ĉi tiu speco ricevis la ĉarman nomon Sputnik. Postaj esploroj montris tamen ke Sputnik fakte ne uzas la maŝinaron de la ĉelo, sed tiun de Mimivirus, kio signifas ke ĝi fakte infektis la viruson. Tio signifas ke Sputnik verŝajne ne estas satelito, sed io tute nova, kion oni nomis ”virofago”.

Konkludo

Estas vere interesa ke virusoj estas tiom diversaj kaj sukcesplenaj produktoj de evoluo, eĉ sen esti vivantaj. Ili uzas malsamajn molekulojn por konservi genojn, ili havas malsamajn strukturojn, atakas organismojn, kiuj tiom malsamas kiel bakterioj kaj homoj kaj kelkaj el ili eĉ konvinkis sciencistojn pri tio ke ili estas likvaĵo, aŭ bakterioj. Nia kompreno pri virusoj ne nur gravas pro tio ke ili tiklas nian intereson tamen. Ni havas tre intiman rilaton kun virusoj, kiu foje estas pozitiva, sed tro ofte negativa. Parto de nia DNA havas virusan originon kaj ni komprenu ĝin por kompreni nin mem, sed niaj plej evidentaj interagoj kun virusoj kompreneble okazas kiam ili malsanigas nin. Bona kompreno de virusoj necesas por batali kontraŭ ili kaj, se ni bonŝancas, virusoj mem povus iĝi novaj medikamentoj. Por nun, la sola afero, kiu restas por diri estas ”Sanon!” por la festotagoj kaj la nova jardeko.

Plua legado

Rete legebla versio de Micrographia: https://www.library.wales/discover/digital-gallery/printed-material/micrographia/

Interesa scienca publikaĵo pri Mimivirus kaj Sputnik: Claverie, J.-M., & Abergel, C. (2009). Mimivirus and its Virophage. Annual Review of Genetics, 43(1), 49–66. doi: 10.1146/annurev-genet-102108-134255

Licensoj por la bildoj

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_depiction_of_various_types_of_Endocytosis.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phage.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Adenovirus_3D_schematic.png

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Electron_microscopic_image_of_a_mimivirus_-_journal.ppat.1000087.g007_crop.png

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Electron_microscopic_image_of_a_mimivirus_-_journal.ppat.1000087.g007_crop.png