Неживой клеточный инфекционный агент, способный размножаться только в других клетках. По своему составу вирусы более близки биополимерам и вне клетки ведут себя именно так, не проявляя признаков живого. К классу живой природы они не относятся. Вирусы доставляют людям массу неудобств - существует целый класс опасных и досадных вирусных заболеваний, от герпеса до ВИЧ, которые не лечатся антибиотиками в принципе. Вирус (от лат. «яд») - это отдельный домен биологической природы, «организмы на грани живого». Исследование вирусов может пролить свет на другие возможные типы полуживых организмов, которые могут встретиться нам на просторах исследуемых галактик.
В середине XX века ученые разработали антибиотики - вещества, которые были способны уничтожить практически любой болезнетворный вирус и спасти жизни тысяч людей. Со временем многие бактерии и некоторые виды антибиотиков утратили свою силу и актуальность, но большинство из них применяется в медицине до сих пор. Например, ваш лечащий врач во время одного из приемов может выписать оксолиновую кислоту, которая входит в группу фторхинолонов. Но знаете ли вы, что из-за приема этого антибиотика у вас могут возникнуть проблемы с сердцем?
Многие виды опасных для жизни бактерий невосприимчивы к антибиотикам, и из-за этого ежегодно погибает около 700 000 людей. Конечно, исследователи со всего мира пытаются разработать новые лекарства, но процесс идет довольно долго, тогда как у них есть еще один, менее проверенный метод лечения инфекций - использование вирусов, поражающих бактерии. Недавно экспериментальный и крайне рискованный метод помог спасти жизнь девушке, вероятность выживания которой составлял менее одного процента. Как происходило лечение?
Вирусы слишком малы, чтобы их можно было разглядывать под обычным микроскопом. Поэтому их разглядывают под микроскопом электронным.
Давайте взглянем на некоторых из них:
Тут мы видим два вируса – слева стрелочкой показан ротавирус , справа – аденовирус . Видно, что он аденовирус имеет форму икосаэдра, а ротавирус – покрытый пупырышками шарик. Оба найдены в стуле ребенка с диареей (вызваной ротавирусом). 
Кстати, заметьте технологический прогресс. Тут тоже изображен аденовирус, но деталей практически не разглядеть. Это статья 1984 года, а выше была – 2003.
Парвовирус . Он существенно меньше предыдущих двух (масштаб показан на обоих картинках). Даже под электронным микроскопом парвовирус разглядеть трудно.
А это родственник оспы. Овальная форма, примерно 200 нм в длину.
Вирус полиомиелита . Очень маленький, но очень зловредный. РНК, заключенная в белковую оболочку. Шкала - 100 нм.
Вирус гриппа . Покрыт липидной оболочкой, упорядоченной внутренней структуры не имеет. Видно, что вся его поверхность покрыта белками оболочки - HA и NA. Шкала - 100 нм.
А это клетки, зараженные вирусом Nodamura . Вирус собирается и накапливается внутри клеток, ему не нужно быть покрытым клеточной мембраной. Когда клетка переполняется, она лопается и вирусы выходят наружу.
А это клетки, зараженные вирусом SARS . Он собирает свой капсид около клеточной мембраны и потом отпочковывается от клетки, унося вместе с ней кусочек ее мембраны. Поэтому новые вирусные частицы выходят из клетки постепенно. Стрелкой показана вирусная частица в процессе сборки. Видно, что вирусные частицы находятся в пространстве между клетками.
Довольно старая, но неплохая фотография
Грипп – опасное острое респираторное заболевание, известное человечеству с древности. Долгое время считалось, что данное недомогание вызывают бактерии, но с появлением мощных микроскопов эта теория была опровергнута. Ученые смогли узнать, как выглядит вирус гриппа, определить особенности его различных штаммов и на основании этого разработать специфические противовирусные препараты.
Вирусные частицы под микроскопом
По строению вирус гриппа сходен с возбудителями других инфекционных заболеваний. В его состав входят.
- РНК – нуклеиновая кислота, в которой содержится наследственная информация вируса.
- Капсид – двойная белковая оболочка.
- Поверхностные белки – гемагглютинин и нейроминидаза.
Всего существует 16 типов гемагглютинина (H1-H16) и 9 типов нейроминидазы (N1-N9). В зависимости от их сочетания получаются определенные штаммы вируса гриппа. На данный момент ученым известно 115 вариантов из 144 возможных, таким образом, специалисты ожидают возникновение новых штаммов вируса гриппа в будущем.
Строение вируса гриппа
Гриппозная инфекция может быть вызвана типами вирусов А, В и С. Самым опасным в эпидемиологическом плане и наиболее изученным является грипп А. Из-за мутаций и изменения комбинации поверхностных белков (гемагглютинина и нейроминидазы) регулярно возникают новые штаммы микроорганизма, которые приводят к масштабным пандемиям.
Внешне вирус напоминает собой морского ежа – микроскопическая, покрытая шипами сфера диаметром 100 нм, но в свежих препаратах иногда обнаруживаются более крупные нитевидные формы.
Рассматривая вирусы гриппа под микроскопом, можно увидеть такие структуры:
- В центральной части микроорганизма содержится рибонуклеопротеид, который состоит из 8 фрагментов, несущих в себе РНК. Каждый из первых шести фрагментов отвечает за синтез одного белка, седьмой и восьмой фрагменты кодируют по 2 белковых молекулы. Отличительной чертой вируса гриппа является поверхностная локализация кодирующей нуклеиновой кислоты в составе рибонуклеопротеида.
- Нуклеокапсид – комплекс, состоящий из генома вируса и защитной оболочки (капсида). У вируса гриппа он представляет собой трубчатое образование диаметром 70 А, уложенное в суперспираль с внешним диаметром 300 А и размером витка 80–100 А. В состав нуклеокапсида входят внутренние белки вируса.
- Суперкапсид – оболочка, состоящая из липопротеиновой мембраны, полученной от клетки, в которой размножался вирус, и поверхностных белковых антигенов (нейроминидазы и гемагглютинина), встроенных в нее в виде небольших шипов. Внутренняя оболочка суперкапсида представлена матричным белком вируса.
- Шип гемагглютинина представлен палочкообразной структурой длиной 14 нм, состоящей из трех H-полпептидов.
- Шип нейроминидазы содержит в себе четыре N-полипептида и представлен палочкообразной структурой с утолщением на внешнем конце. С другой стороны шип прикрепляется к тонкому «хвосту» длиной 8 нм, погруженному в липидный слой мембраны.
Шипы вируса – вторая по важности структура после РНК. Именно благодаря им микроорганизм прикрепляется к поверхности и проникает внутрь клетки. Если удалить эти образования жирорастворителем или специальным детергентом, вирус инактивируется.
На прошлой неделе российская компания Visual Science показала первую в мире модель вируса Зика атомного разрешения. По словам создателей, изображения, сделанные на основе этой модели - самые подробные и научно достоверные из всех, что есть на сегодняшний день. Вирусами компания занимается уже не первый год, в ее «Зоопарке» есть и ВИЧ, и Эбола, и грипп, многие другие. О том, по каким стандартам работают в Visual Science и почему свои модели авторы называют самими точными в мире, мы поговорили с основателем компании Иваном Константиновым.
Когда началась работа над созданием модели вируса и сколько времени она заняла?
Для нас это рекордная по срокам работа. Обычно большие и сложные вирусы занимают восемь-девять месяцев моделирования. В случае с Зика мы бросили на работу все наши ресурсы и справились за три недели.
Я так понимаю, что интерес к этому вирусу связан с наблюдаемой сейчас вспышкой и возможной эпидемией вируса в Северной Америке?
Вообще, мы никогда не делали свои модели под какие-то глобальные события, «к случаю». Даже вирус Эбола, изображение которого использовалось практически всеми мировыми СМИ во время недавней вспышки 2014 года было сделано задолго до самой вспышки. Мы выбираем вирусы исходя из того, насколько они распространены и опасны, насколько интересна их структура. И, конечно, насколько хорошо она изучена. Но модель вируса Зика - это для нас первый опыт такого «скоростногогорячего» моделирования.
Сколько человек трудилось над моделью?
(считает) Восемь человек.
Вы говорите о своих моделях как о «самых научно достоверных изображениях» из тех, что существуют на сегодняшний день. В связи с этим возникают два вопроса. Во-первых, что это значит - что вы в вкладываете в понятие «научной достоверности» по отношению к модели? И, во-вторых, как эта достоверность достигается?
Следует прежде всего сказать, что наша компания основана молекулярными биологами и специалистами по биоинформатике. Поэтому наш научный бэкграунд определяет то, как мы подходим к моделированию. В основе нашего моделирования - упор на научную экспертизу, которая позволяет избежать тех ошибок, которыми изобилуют модели, если над ними работают исключительно дизайнеры и художники. Где в работе над моделью нет научной составляющей.
При создании каждого вируса мы работаем по следующей схеме. Сначала анализируем все доступные публикации, которые касаются его структуры, на основе чего составляется глобальный обзор литературы, формируемый по неким определенным внутренним стандартам. Мы определяем, какие из компонентов вируса изучены полностью - для которых из них есть данные рентгено-структурного анализа - и какие из них не изучены. Для каждого из компонентов определяем, каких из его фрагментов нет в рентгеновских структурах. Метод рентгено-структурного анализа предполагает, что многие участки белка, которые сложно кристаллизовать получить осложняют получение кристаллов - трансмембранные фрагменты, участки с подвижной структурой и так далее - могут специально отрезаться учеными, так что их просто нет в опубликованных данных. Мы находим эти недостающие фрагменты и достраиваем их структуру на основе тех методов, которые сейчас используются для этого в науке (это данные о структуре родственных белков и методы молекулярной динамики).
На следующем этапе мы проводим предсказание белок-белковых взаимодействий внутри вируса: какие белки и какими поверхностями друг с другом контактируют в вирионе, как именно устроены белковые комплексы. Рентгено-структурный анализ информацию об этом обычно не дает, потому мы обращаемся к методам молекулярного докинга.
Бывает, когда строение компонентов некого вируса нам вообще пока не известно. В таком случае приходится использовать данные о родственных вирусах как шаблоны для новой структуры. Это тоже довольно распространенная методика в науке, для этого разработаны специальные протоколы, которые мы и используем при моделировании.
Наиболее дискуссионным моментом модели почти всегда является упаковка генома вируса. Это очень сложная задача, которая часто просто не может быть однозначно решена существующими методами. Поэтому мы всегда говорим, что показываем в модели только возможный вариант укладки генома. Мы, конечно, стараемся максимально полно предсказать для генома ДНК-белковые или РНК-белковые взаимодействия, пытаемся установить методами биоинформатики элементы третичной пространственной структуры РНК-геномов. Но абсолютно достоверно это сделать сейчас просто невозможно. Это самостоятельная, большая и интересная научная задача.
Плюс ко всему для каждого проекта мы отбираем наиболее авторитетных экспертов, которые посвятили многие годы изучению того или иного вируса, проводим с ними консультации. В случае вируса гриппа, например, это была группа Хайме Мартина-Бенито из Испанского национального центра биотехнологий и ряд других исследователей. Для ВИЧ это был Егор Воронин из Global HIV Vaccine Entreprise. При моделироваании Эбола мы общались с Рональдом Харти из Университета Пеннсильвании.
А Зика?
Вирус Зика - довольно экзотичная вещь, он долго был обделен вниманием ученых. В данном случае не было каких-то крупных научных групп, которые были бы лидерами в этом вопросе и могли бы нам помочь. К счастью, это вирус достаточно простой, и особой необходимости привлекать сторонних консультантов в данном случае не возникло, мы справились своими силами. Уже после того, как модель была готова, мы получили ряд минорных комментариев, касающихся, например, глубины погружения в мембрану трансмембранных фрагментов белков.
Что было самым сложным при создании этой модели?
Наверное, пространственная организация упаковки генома. Это всегда сложно.
У какого процента белков в случае вируса Зика уже есть рентгеновские структуры, а что вам приходилось восстанавливать методами моделирования по-аналогии?
Пока кристаллографические данные о структурах белков непосредственно вируса Зика не доступны, так что все пространственные модели были сделаны на основе прочитанного генома и близких белков из родственных вирусов Денге, Западного Нила или желтой лихорадки.
Вирус Зика - последнее пополнение в вашем «Зоопарке Вирусов». Расскажите, пожалуйста, что это за проект и какие цели вы перед ним ставите.
«Зоопарк» - это первая в мире попытка создать коллекцию научно достоверных моделей вирусов человека с атомным разрешением. Дело в том, что вирусы слишком маленькие для того, чтобы изучать их методами, которые подходят для исследования клеток. С другой стороны, они слишком большие, чтобы работать с ними как с белками и получать рентгеновские структуры. Получается, что мы довольно много знаем о строении отдельных вирусных компонентов и о том, как вирусы ведут себя в клетках. Но увидеть вирусы своими глазами, рассмотреть их во всех подробностях можно только с помощью компьютерного моделирования.
Тут есть даже некоторый парадокс: любой ребенок знает, как выглядит далекий от нас Марс, но на что похож вирус гриппа, которым мы все болеем ежегодно, знают немногие. Собственно, из этого желания - показать людям красоту и сложность микро и наномира вирусного мира - и вырос наш «Зоопарк Вирусов». Это прежде всего чисто просветительский и образовательный проект, и мы рады, что многие наши изображения уже попали на страницы ведущих учебников и руководств.
Не могу не спросить: мой любимый гигантский мимивирус попадет в «Зоопарк»?
Мимивирус, конечно, очень большой. Правда большой, не заражает человека, а “Зоопарк вирусов” прежде всего о вирусах человека. И, к тому же, довольно плохо изучен. Надо понимать, что в наших моделях представлены все молекулы, которые есть в вирионе, даже отдельные липиды мембраны. Поэтому даже в случае с Эболой счет молекул уже идет на миллионы, и моделирование требует очень больших ресурсов. В этом смысле мимивирус, который по размеру оставляет позади некоторые бактериальные клетки, выглядит, конечно, устрашающе. Видимо, для его моделирования нам потребуется разработать особый подход, так что это задача не ближайшего будущего. Пока мы сфокусированы на более изученных и распространенных вирусах - вирусе герпеса, гепатитов и еще десятке других.
Вирус Эбола
Вирус Гриппа A/H1N1
Вирус иммунодефицита человека
Вирус папилломы человека - HPV
Бытует мнение что животные, растения и человек численностью преобладают на планете Земля. Но это на самом деле не так. В мире существует бесчисленное количество микроорганизмов (микробов). И вирусы являются одними из самых опасных. Они могут стать причиной различных заболеваний человека и животных. Ниже представлен список десяти самых опасных биологических вирусов для человека.
Хантавирусы - род вирусов, передающийся человеку при контакте с грызунами или продуктами их жизнедеятельности. Хантавирусы вызывают различные болезни, относящиеся к таким группам заболеваний, как «геморрагическая лихорадка с почечным синдромом» (смертность в среднем 12%) и «хантавирусный кардиопульмональный синдром» (смертность до 36%). Первая крупная вспышка заболевания, вызванная хантавирусами и известная как «Корейская геморрагическая лихорадка», произошла во время корейской войны (1950–1953). Тогда более 3 000 американских и корейских солдат ощутили на себе воздействие неизвестного на то время вируса вызывавшего внутреннее кровотечение и нарушение функций почек. Интересно, что именно этот вирус считается вероятной причиной возникновения эпидемии в XVI веке, которая истребила народность ацтеков.
Вирус гриппа - вирус, вызывающий у человека острое инфекционное заболевание дыхательных путей. В настоящее время существует более 2 тыс. его вариантов, классифицирующиеся по трём серотипам А, В, С. Группа вируса из серотипа А разделённая на штаммы (H1N1, H2N2, H3N2 и т. д.) является наиболее опасной для человека и может привести к эпидемии и пандемии. Ежегодно в мире от сезонных эпидемий гриппа умирает от 250 до 500 тыс. человек (большинство из них дети младше 2 лет и пожилые люди старше 65 лет).
Вирус Марбург - опасный вирус человека, впервые описанный в 1967 году во время небольших вспышек в немецких городах Марбург и Франкфурт. У человека вызывает геморрагическую лихорадку Марбург (смертность 23-50%), которая передаётся через кровь, кал, слюну и рвотные массы. Естественным резервуаром для данного вируса служат больные люди, вероятно, грызуны и некоторые виды обезьян. Симптомы на ранних стадиях включают в себя лихорадку, головную боль и боль в мышцах. На поздних - желтуху, панкреатиты, потерю веса, делирий и нейропсихиатрические симптомы, кровотечение, гиповолемический шок и множественный отказ органов, чаще всего печени. Лихорадка Марбург входит в десятку смертельных болезней передавшихся от животных .
Шестое место в списке самых опасных вирусов человека занимает Ротавирус - группа вирусов, являющиеся наиболее распространённой причиной острой диареи у младенцев и детей младшего возраста. Передаётся фекально-оральным путём. Эта болезнь обычно легко лечится, но в мире ежегодно умирает более 450 000 детей в возрасте до пяти лет, большинство из которых живут в слаборазвитых странах.
Вирус Эбола - род вирусов, вызывающий геморрагическую лихорадку Эбола. Впервые был открыт в 1976 году во время вспышки заболевания в бассейне реки Эбола (отсюда и название вируса) в Заире, ДР Конго. Передаётся при прямом контакте с кровью, выделениями, другими жидкостями и органами инфицированного человека. Для лихорадки Эбола характерны внезапное повышение температуры тела, выраженная общая слабость, мышечные и головные боли, а также боли в горле. Зачастую сопровождается рвотой, диареей, сыпью, нарушением функций почек и печени, а в некоторых случаях внутренними и внешними кровотечениями. По данным центра контроля заболеваний США, на 2015 год лихорадкой Эбола инфицировано 30 939 человек, из которых умерли 12 910 (42%).
Вирус денге - один из самых опасных биологических вирусов для человека, вызывающий Лихорадку денге, в тяжёлых случаях, которой смертность составляет около 50%. Болезнь характеризуется лихорадкой, интоксикацией, миалгией, артралгией, сыпью и увеличением лимфатических узлов. Встречается в основном в странах Южной и Юго-Восточной Азии, Африки, Океании и Карибского бассейна, где ежегодно заражается около 50 миллионов человек. Разносчиками вируса является больной человек, обезьяны, комары и летучие мыши.
Вирус оспы - сложный вирус, возбудитель высокозаразного одноимённого заболевания, поражающего только человека. Это одно из древнейших заболеваний, симптомами которого является озноб, боль в области крестца и поясницы, быстрое повышение температуры тела, головокружение, головная боль, рвота. На второй день появляются сыпь, которая со временем превращается в гнойные пузырьки. В XX веке этот вирус унёс жизни 300–500 миллионов человек. На кампанию по борьбе с оспой, с 1967 по 1979 годы было потрачено около 298 миллионов долларов США (в 2010 году эквивалент 1,2 миллиарда долларов). К счастью, последний известный случай заражения был зарегистрирован 26 октября 1977 года в сомалийском городе Марка.
Вирус бешенства - опасный вирус, вызывающий бешенство у человека и теплокровных животных, при котором происходит специфическое поражение центральной нервной системы. Эта болезнь передаётся со слюной при укусе инфицированного животного. Сопровождается повышением температуры до 37,2–37,3, плохим сном, больные становятся агрессивными, буйными, появляются галлюцинации, бред, чувство страха, вскоре наступает паралич глазных мышц, нижних конечностей, паралитические расстройства дыхания и смерть. Первые признаки болезни возникают поздно, когда в мозгу уже произошли разрушительные процессы (отёк, кровоизлияние, деградация нервных клеток), что делает лечение практически невозможным. На сегодня зафиксировано только три случая выздоровления человека без применения вакцинации, все остальные заканчивались смертью.
Вирус Ласса - смертельный вирус, являющийся возбудителем лихорадки Ласса у человека и приматов. Болезнь впервые была обнаружена в 1969 году в нигерийском городе Ласса. Характеризуется тяжёлым течением, поражением органов дыхания, почек, центральной нервной системы, миокардитом и геморрагическим синдромом. Встречается она преимущественно в странах Западной Африки, особенно в Сьерра-Леоне, Республике Гвинея, Нигерии и Либерии, где ежегодная заболеваемость составляет от 300 000 до 500 000 случаев, из которых 5 тыс. приводит к смерти пациента. Природным резервуаром лихорадки Ласса являются многососковые крысы.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) - самый опасный вирус человека, возбудитель ВИЧ-инфекции/СПИД, который передаётся через прямой контакт слизистых оболочек или крови с жидкостью телесного происхождения больного. В ходе ВИЧ-инфекции у одного и того же человека формируются все новые штаммы (разновидности) вируса, которые являются мутантами, совершенно разные по скорости воспроизведения, способные инициировать и убивать те или другие типы клеток. Без врачебного вмешательства средняя продолжительность жизни человека заражённого вирусом иммунодефицита составляет 9–11 лет. По данным на 2011 год, в мире за всё время ВИЧ-инфекцией заболели 60 миллионов человек, из них: 25 миллионов умерли, а 35 млн. продолжает жить с вирусом.
