Jean-Michel Claverie ja Chantal Abergel on maailmas tuntud viroloogid, kes on pühendanud oma karjääri hiiglaslike viiruste uurimisele. Just nemad avastasid Pitoviiruse, mis oli Siberi jääst lebanud 30 tuhat aastat ja kes elas pärast nii paljude aastate karme tingimusi.
Ebatavaliste hiiglaslike viiruste olemust uurides leidsid teadlased, et neil on palju võõrasemaid omadusi, kui võiks arvata. Esiteks, erinevalt valdavast enamusest viirustest, on pitoviirus väga suur - see on isegi suurem kui mõned bakterid. Kuid kõige hämmastavam on see, et see ei sõltu täielikult peremeesorganismist, nagu see peaks viiruste jaoks olema, ja on võimeline ise mõnda replikatsiooni etappi läbi viima.
Lisaks erineb üsna suur arv Pitoviiruse geene teiste viiruste geneetilisest struktuurist, millel on enamasti vaid neli geeni. Pitoviirust seevastu on viissada ja mõnda neist kasutatakse keerukateks ülesanneteks, näiteks valkude valmistamiseks, DNA parandamiseks ja replikatsiooniks.
Nende kummaliste omaduste tõttu pakkusid Claverie ja Abergel välja, et just hiiglaslikud viirused võisid olla Maa elu algupärase lahti mõtestamise võti. Tuletage meelde, et bioloogid ei klassifitseeri Elu kuningriigis isegi tavalisi viirusi, vaid nimetavad neid mitterakuliseks nakkusetekitajaks.
„Tavaliselt tuginevad viirused peremeesorganismide rakumehhanismidele, et aidata neil paljuneda. Seetõttu vajavad nad neid mehhanisme oma eesmärkidel kasutamiseks võõraid rakke. Teisisõnu, viirused ei saa eksisteerida ilma rakkudeta,”ütleb Jack Szostak, Harvardi ülikooli tunnustatud biokeemik ja Nobeli preemia laureaat.
Mõnede teadlaste sõnul võib hiiglaslike viiruste avastamine muuta meie mõtlemist nende nakkusetekitajate suhtes. Nad viitavad sellele, et tänapäevaste viiruste esivanemad võiksid pakkuda "toormaterjali" rakuelu arengule ning aidata elusorganismide mitmekesistumisel ja mitmesuguste liikide moodustamisel.
"Hiiglaslikud viirused on täiuslik näide sellest, kuidas lihtsate viirusesarnaste elementide maailm võib muutuda millekski palju keerukamaks," ütleb USA Riikliku Terviseinstituudi arvutusbioloog Eugene Koonin, kes kirjeldas oma teoorias elu viirusliku päritolu kohta. avaldatud ajakirjas Microbiology and Molecular Biology Reviews.
Kunin ja teised viroloogid koguvad järk-järgult tõendeid selle kohta, et viirusesarnased elemendid stimuleerisid elu kujunemise kõige olulisemaid etappe: DNA evolutsioon, esimeste rakkude moodustumine ja elu jagunemine kolmeks domeeniks - arhaea, bakterid ja eukarüootid. Arhaea ja bakterid, üherakulised organismid, eksisteerisid juba ammu enne eukarüootide teket, mis tekkisid kahe esimese domeeni sulandumisel.
Reklaamvideo:
Üldiselt aktsepteeritud teooriad viiruste päritolu kohta ütlevad, et need tekkisid kas degenereerunud rakkudest, mis on kaotanud võime iseseisvalt paljuneda, või geenidest, mis on mingil põhjusel elusast rakust lahkunud. Hiiglaslikud viirused, mida esmakordselt kirjeldati 2003. aastal, kahjustasid nende kahe teooria usaldusväärsust, kuna need esindasid täiesti uut, ebatavalist tüüpi organismi.
Hiiglaslike viiruste tuvastamiseks kulus teadlastel aastaid. Alguses arvasid nad, et vaatavad bakterit, kuna selle struktuur oli enam-vähem sama palju kui paljudel bakteritel. Lisaks sellele on hiiglaslik viirus spetsiaalse kemikaaliga töötlemise tulemusel, mis värvib ainult mõnda bakterit, omandanud helesinise värvuse. Kuid vaatamata kõigele olid kõik katsed laboris organismi kasvatada asjatud. Katsetest lahkudes panid teadlased ainulaadse proovi sügavkülma.
Umbes kümme aastat hiljem võtsid kraadiõppurid organismi ja viisid selle prantsuse mikrobioloogi Didier Raoult 'laborisse, kes on spetsialiseerunud bakteritele, mida on laboris raske kasvatada. Esiteks uuris teadlane keha uurimiseks võimsa elektronmikroskoobi abil.
Samal ajal töötasid Claverie ja Abergel Raouliga, kuid erineva projekti kallal. Nad tundsid viirusetaolise vormi kohe ära, sõltumata uuritava organismi suurusest või selle muudest ebaharilikest omadustest. Viroloogid asusid kohe uurima hiiglasliku viiruse genoomi ja leidsid selle DNA-st tuhandeid geene, mida on isegi rohkem kui mõnedes bakterites. Siis nimetasid teadlased organismi mimiviiruseks (MImicking MIcrobe VIRUS ehk "viirust, mis jäljendab mikroobi"), kuna amööb ajas selle bakterite jaoks valesti ja üritas seda neelata.
Claverie ja Abergelle on juba ammu kahtlustanud, et hiiglaslikud viirused peavad olema looduses laialt levinud, kuid jäävad oma suuruse tõttu märkamatuks. Nad võtsid amööbirikka vee proove praktiliselt igast külastanud kohast. Kahest pildist (üks Melbourne'ist, teine Tšiili rannikult) leidsid nad veel suurema viiruse ja panid sellele nime pandoraviirus.
„Kordasime iga katset 10 korda. Viirus oli nii ebatavaline, et arvasime, et oleme kuskil vea teinud,”meenutab Abergel.
Kuna pandoraviirusel oli hämmastavalt palju geene, umbes 2500, otsustasid teadlased, et on aeg klassifitseerida hiiglaslikud viirused uueks eluviisiks. Kõige hämmastavam on see, et enam kui 90% -l viiruse geenidest polnud midagi ühist teiste Maa peal elavate organismidega.
Hiljem avastasid Claverie ja Abergelle pitoviiruse, mis on suurem kui pandoraviirus ja mis pole geenides halvem. Ebatavaline geenivaram pani teadlasi mõtlema hiiglaslike viiruste päritolu üle. Kuna patogeenide geenid erinesid teistest organismidest nii palju, on bioloogid väitnud, et hiiglaslike viiruste esivanemad tekkisid juba elu algfaasis.
See idee on vastuolus üldiselt aktsepteeritud teooriaga, mille kohaselt viirused tekkisid elu evolutsiooniajaloos väga hilja. Kuid kas viirused võisid ilmneda enne rakuelu moodustumist?
Kunini ja kolleegide arvates eelnesid viirused rakuelule. Tema teooria järgi, mida nimetatakse "viirusemaailmaks", tekkisid tänapäevaste viiruste esivanemad siis, kui kogu elu hõljus veel Maa veekogudes aminohapete ja lipiidide geneetilise teabega. Geneetilise materjali varaseimad proovid olid tõenäoliselt suhteliselt väikese geenikomplektiga RNA tükid, mis parasiteerisid protoelu muid vorme, et iseendast koopiaid luua.
Need "kiilas" geneetilise teabe plaastrid vahetasid pidevalt geene, võttes naabrite juurest teisejärgulisi üksusi ja vabastades need, mida nad enam ei vajanud. Aja jooksul ei suutnud Kunin väita, et parasiitide geneetilised elemendid suudavad iseseisvalt paljuneda ja muutusid tänapäevasteks viirusteks, mis siiani ei saa eksisteerida võõrrakkudeta. Ja geenid, millel nad varem parasiteerisid, hakkasid looma tõkkeid, et kaitsta end geneetiliste vabadustajate eest, ja nii ilmuski lõpuks raku elu.
Viirusemaailma teooria on olemuselt sarnane RNA maailma hüpoteesiga, mis väidab, et elu ilmus kõigepealt väikeste RNA tükkidena, mis arenesid aeglaselt keerulisi DNA-d kandvateks organismideks. Mõlemad versioonid nõustuvad esimese geneetilise materjali tekkimisega, kuid erinevad täpselt esimeste viiruste tekkimise ajal - enne või pärast rakke.
Viiruste ülimuslikkuse pooldajatel on mõned kindlad tõendid. Esiteks ületab viiruste mitmekesisus suuresti rakulise elu esindajate mitmekesisuse. Ja kui viirused oleksid sekundaarsed tooted, siis oleks nende mitmekesistamine palju vaesem, kuna rakud sisaldaks kogu viirustele kättesaadavat geenide spektrit.
“Sama dilemma tekib ka siis, kui räägime inimeste päritolust. Me teame, et inimesed on pärit Aafrikast, kuna selle mandri elanike geneetiline mitmekesisus on palju suurem kui mujal maailmas. Kui see kehtib inimeste kohta, siis miks ei kehti see viiruste kohta? - küsib Kunin.
Teiseks on viirused iseenda reprodutseerimisel palju "leidlikumad". Rakkudel on oma DNA replikatsiooniks ainult kahel viisil: ühte valdavad bakterid ja teist arhaea ja eukarüootid. Viirused kasutavad ära kõik muu.
Mimivirus, üks esimesi teadlaste poolt leitud hiiglaslikke viirusi (illustratsioon Wikimedia Commons).
On veel üks vaheteooria, mis ütleb, et viirused võivad ilmneda pärast primitiivseid rakke ja enne tänapäevaseid. Kolme erinevat elu domeeni nakatavatel üksikutel viirustel on ühised valgud, mis viitab sellele, et viirused arenesid tänapäevases tähenduses enne elu algust. Viirusmaailma teooria toetajate sõnul eksisteerisid viirused aga ammu enne kogu Maa esivanema ilmumist.
Hiiglaslike viiruste uurimine on viinud peaaegu filosoofilise küsimuseni, mis elu on. Standardmääratluse kohaselt ei ole traditsioonilised viirused elusorganismid, kuna nad ei suuda oma geene paljuneda ja peavad peremeesrakkudest "varastama".
Kuid hiiglaslikud viirused jäävad bakterite ja tavaliste viiruste vahele. Neil on replikatsioonil osa geene, mis näitab nende evolutsiooni etapi võimalust, milles nad võivad olla iseseisvad organismid.
Mõned teadlased väidavad, et sel põhjusel peavad nad elupuule määrama eraldi domeeni. Seda toetab ka asjaolu, et hiiglaslikel viirustel on erinevalt kõigist teistest ainulaadsed geenid.
Hiiglaslikud viirused on aga rühmitatud suurematesse viiruste perekondadesse, mida tuntakse tsütoplasmaatiliste suurte DNA-viirustena, mille hulka kuuluvad ka rõuged. Hiiglaslikud viirused on palju keerukamad kui need, mis põhjustavad rõugeid, mistõttu teadlased arvasid, et need tekkisid evolutsiooniajaloos hiljem. Teadlaste edasine töö näitas, et need viirused arenesid arvatust palju varem.
Urbana-Champaignis asuva Illinoisi ülikooli Gustavo Caetano-Anolles jälgis 2012. aasta uuringus mitme hiiglasliku viiruse leitud valkude evolutsioonilugu. Tema töö näitab, et hiiglaslikud viirused on eluvorm, mis kas eelnes või eksisteeris koos kõigi elusolendite viimase universaalse ühise esiisaga.
Kui hiiglaslikud viirused on sama vanad, nagu Cayetano-Anolles'i töö näitab, siis tuleb Maa bioloogiline ajalugu põhjalikult üle vaadata. Sel juhul mängisid elu päritolul juhtivat rolli viirused. See võib tähendada ka seda, et viirused on meie planeedil üks domineerivaid evolutsioonilisi jõude ja et igal organismil on oma viiruslik minevik.
Shostak usub, et viirused olid tõepoolest võimas evolutsiooniline jõud ja et need arenesid välja varem, kui teadlased varem uskusid. Ta osutab siiski olulisele erinevusele parasiitide geneetiliste elementide vahel, mis on geneetilise materjali lõigud, kus enda koopiate tegemiseks kasutatakse geneetilise materjali muid sektsioone, ja tõeliste viiruste, mis ei saa ilma rakuta eksisteerida.
„Kui segate hunniku väikeseid RNA molekule, saate lõpuks hunniku parasiitjärjestusi, mis on head ainult seetõttu, et nad suudavad kiiresti paljuneda. Selleks, et need järjestused muutuksid sarnasteks tänapäevaste viirustega, peavad nad parasiteerima elusas rakus ja mitte ainult RNA teises ahelas,”märgib Shostak.
Viirusemaailma teooria toetajad väidavad, et rakud ei saaks ilma viiruste osaluseta areneda: RNA-lt DNA-le liikumiseks on vaja pöördtranskriptaasi ensüümi ja need sisalduvad ainult viirustes, kuid mitte rakkudes.
Claverie ja Abergelle usuvad aga, et viirused on rakkudest väljunud. Nad pakuvad veel ühe seletuse hiiglaslike viiruste ebaharilikule geenikomplektile: tõenäoliselt pärinevad nad nendest rakkudest, mis on praeguseks juba kustunud.
Selle teooria kohaselt kaotas hiiglaslike viiruste esiisa võime iseseisva eluvormina paljuneda ja oli sunnitud oma DNA kopeerimiseks lootma teistele rakkudele. Nendest iidsetest rakkudest pärit geenitükid jäid ellu tänapäevastes mimiviruses, pandoraviiruses ja pitoviiruses, mis võib olla ainulaadsete geenide olemasolu loogiline seletus.
“Kõigil elavatel asjadel ei saa olla ühte ühist esivanemad. Varajases ajaloos oli palju elusorganismide rakke, mis konkureerisid omavahel ja jätsid ühe võitja, kes moodustas elu aluse, nagu me seda täna teame,”räägib Claveri.
Selleteemaline arutelu ei lahene tõenäoliselt niipea. Kuid viroloogid otsivad juba uusi hiiglaslikke viirusi, mis võiksid valgustada elu evolutsiooni ajalugu üldiselt.
