Биологи изучили вирусы, которые заражали археи Асгарда. Они могли «создать» все живое

Обновлено: 02.10.2022

Результаты исследований дают дополнительную информацию об экологии и эволюции архей Asgard.

Читайте «Хайтек» в

Ученые обнаружили «отпечатки пальцев» таинственных вирусов, которые скрывались в древней группе микробов. Возможно, они способствовали возникновению всей сложной жизни на Земле: от грибов до растений и людей.

На этой неделе в журнале Nature Microbiology вышли сразу три работы, посвященные вирусам архей группы Asgard. Ученые исследовали геномы вирусов из геномных и метагеномных данных и изучили их связь с самыми известными группами вирусов. Полученные данные помогли ученым предположить, в чем именно заключались функции вирусов, которые заражали археи Asgard.

Примечательно, что это первые исследования вирусов архей Асгарда; раньше ничего не было известно. В будущем это направление исследований может показать, были ли вирусы вовлечены в появление эукариотических клеток на Земле и каким именно образом.

Вообще, у архей группы Asgard есть много генов, которые кодируют эукариотические белки. Также ученые считают их ближайшими родственниками эукариот. Однако до сих исследователи не знали, распространяется ли сходство между членами группы Asgard и эукариотами на заражающие их вирусы.

Первая группа ученых проанализировала метагеномные последовательности. Их получили из глубоководных гидротермальных отложений. Биологи собрали шесть геномов вирусов, которые поражают археи группы Asgard. Оказалось, они принадлежат четырем вирусам, их назвали Fenrir (Фенрир), Sköll (Сколль), Nidhogg (Нидхёгг) и Ratatoskr (Рататоск). Все они — существа из скандинавской мифологии.

Основываясь на геномных данных, биологи предположили, что они способны на полуавтономные репликации генома, репарации, эпигенетические модификации и регуляцию транскрипции. А также совмещают черты вирусов бактерий и архей.

Другая группа ученых получила полный геном археи из группы Asgard и заново собрала геном штамма LCB_4, который считали базальной группой типа Odinarchaeota. Биологи обнаружили последовательности двух вирусов, их назвали Huginn и Muninn (Хугин и Мунин — пара воронов в скандинавской мифологии, которые летают по всему миру Мидгарду и сообщают богу Одину о происходящем). Родственные им вирусы нашли в геномах и других прокариот, в том числе архей группы Asgard.

Третья работа посвящена о метагеномной сборке 20 новых вирусов архей группы Asgard из образцов донных отложений. Комбинируя филогенетический анализ с поисками локусов CRISPR в метагеномных данных, исследователи разделили найденные вирусы на три группы уровня семейств.

В конечном итоге исследователи смогли выяснить функции только некоторых генов вирусов. Функции подавляющего большинства генов до сих пор неизвестны.

Asgard или Asgardarchaeota — предполагаемый суперфилум, состоящий из группы архей, в которую входят Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota и Heimdallarchaeota. Похоже, что эукариоты появились внутри Asgard, в ветви, содержащей Heimdallarchaeota. Это значит, что архей из группы Asgard, предполагают многие биологи, наиболее близки к предкам всех организмов, у которых есть клеточные ядра. Они могли способствовать возникновению сложной жизни

Мир вирусов в живому


Вирусы. Простейшие существа и серьёзные задачи для учёных

Так уж повелось, что о многих вещах человек задумывается, когда появляется проблема. Объявили пандемию – и все стали чаще мыть руки, в общественных местах появились антисептики, а ручки дверей стали усиленно протирать. Вирусы были рядом с нами всегда. Но так ли хорошо мы их знаем и готовы ли защищаться от них не только в период пандемии? О том, кто или что такое вирусы, как они размножаются и почему их нужно не истреблять, а изучать, рассказывает эксперт Красноярского краевого фонда науки, заведующая кафедрой биофизики СФУ, профессор, доктор биологических наук Валентина Александровна Кратасюк.

-Валентина Александровна, человечество не первый раз сталкивается с вирусами. Что они собой представляют?

— Вирусы –это простейшие существа. Настолько простые, что идет спор о том, живые ли это существа или нет. Это связано, в первую очередь, с тем, что вирусы не могут размножаться вне живых клеток. У вирусов нет собственного обмена веществ, а для синтеза своих молекул им необходима клетка-хозяин. При этом устроен вирус идеально для такого паразитического поведения. В отличие от клеток живых организмов вирусы не имеют клеточной оболочки, органелл, протоплазмы и других компонентов клетки. Все вирусы состоят из двух основных типов молекул –наследственного материала (РНК –рибонуклеиновая кислота или ДНК –дезоксирибонуклеиновая кислота) и белковой оболочки. Жизненный цикл вируса состоит в том, что нуклеиновая кислота проникает в клетку и, используя возможности клетки, нарабатывает свою ДНК или РНК, а также свои белки. Затем вирусные частицы самопроизвольно собираются в инфицированной клетке, разрушая ее, и уже батальоны вирусов продолжают свое черное дело.

— Действительно ли коронавирус опаснее других, известных человеку? И если да, то чем?

— Коронавирус — это РНК-содержащий вирус, передающийся людям и животным. 2019-nCoV — это новый штамм коронавируса, который произошел от диких животных (предположительно — от летучих мышей). Пути передачи: воздушно-капельный (вирус выделяется при разговоре, чихании, кашле) и контактный (например, при касании грязными руками лица, носа, глаз). 2019-nCoV в 2-3 раза менее заразен, чем корь, и в 2-3 раза заразнее гриппа. Процент летальности — 2,3%.

38 видов короновируса известны науке, но только 6 из них передаются человеку. Новый вирус отличается большей активностью. Это пневмотропный вирус, то есть он поражает легкие человека. Все вирусные инфекции одинаковы и поэтому затруднена точная диагностика. Наши новосибирские коллеги быстро разработали диагностический метод на короновирус. Честь им и хвала.

— Какие вирусы за историю человечества приводили к эпидемиям и какие из них удалось победить?

Следует еще отметить, что российская эпидемиологическая служба имеет большой опыт борьбы с инфекциями, который опирается на опыт эпидемиологов двух прошлых столетий. Сложность настоящей ситуации состоит в том, что очень сильно увеличилась миграция, и потому одним из важных средств защиты от заражения является изоляция и карантин.

— Есть ли какой-то общий алгоритм борьбы с вирусами?

Конечно. Нужно приостановить размножение вирусов, что можно сделать разными путями, например, с помощью ферментов, разрушающих их генетический материал и не позволяющих копировать РНК и ДНК. Так, для лечения энцефалита, вызванного РНК-овым вирусом, используют препараты рибонуклеазы наряду со специфическим гамма-глобулином. Для защиты от вирусов в России активно используют препараты интерферона. Но надо помнить, что это заместительная терапия. При инфицировании вирусом собственный интерферон появляется на 4-5 день заболевания, потому интерферон применяют для профилактики и лечения в первые 4-5 дней заболевания.
Сейчас продают большое количество иммуномоделирующих препаратов, таких как Кагоцел, которые имитируют проникновение вируса в организм и стимулируют иммунную систему, но они нужны в первую очередь для профилактики заболевания, а не для лечения.
Кстати, вирусы прекрасно истребляются спиртом, на чём основано действие антисептиков, и перекисью водорода, а также полезна рекомендация почаще мыть руки.
С новым коронавирусом оказалось важным сохранить молодость. Может, стоит подумать об этом?

— Каков механизм появления новых вирусов и можно ли как-то противостоять их появлению?

Как и все живые организмы, вирусы эволюционизируют, то есть появляются новые вирусы, за счет мутаций в генетическом материале. РНК–вирусы имеют маленький период размножения и повышенную частоту мутаций (одна точечная мутация или более на геном за один раунд репликации РНК вируса). Такая повышенная частота мутаций позволяет вирусам быстро адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Быстрое мутирование вирусов также вызывает проблемы с разработкой действенных вакцин и противовирусных препаратов, так как мутации устойчивости к новым лекарственным препаратам возникают очень быстро. Потому и есть трудности в создании защиты от ежегодных эпидемий гриппа. Появляется новый мутированный вирус, для истребления которого может не пригодиться прошлогодняя вакцина. Эволюцию невозможно остановить. Да и нужно ли истреблять вирусы? Например, свойство вирусов проникать в клетки используется широко в генетической инженерии и молекулярной биологии для создания рекомбинантных организмов.

Найдено доказательство того, что вирус — это живое существо

Как заявляют американские биологи, вирус — это не безжизненный случайный обрывок ДНК, ставший "живым" благодаря воле случая. Он получился в результате эволюции древних клеткообразующих структур, приспособившихся к внутриклеточному паразитизму.

БИШКЕК, 28 сен — Sputnik. Анализ первых этапов возникновения жизни на Земле показал, что вирусы являются не случайными обрывками ДНК-клеток, получившими самостоятельную "жизнь" благодаря воле случая, а продуктом эволюции древних клеткообразных структур, приспособившихся к внутриклеточному паразитизму, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

"Многие организмы нуждаются в других живых существах для выживания, в том числе бактерии, живущие внутри клеток, и паразитические грибки, не способные завершить цикл размножения без организма-хозяина. То же самое, оказывается, делают и вирусы", — заявил Густаво Каэтано-Аноллес (Gustavo Caetano-Anolles) из университета Иллинойса в Урбане (США).

Каэтано-Аноллес и его коллега Аршан Назир пришли к такому выводу, восстановив самые первые шаги жизни в первичном океане Земли по тому, как различаются оболочки всех известных вирусов.

Как объясняют биологи, все сегодняшние вирусы защищены от внешней среды особой белковой оболочкой, так называемым капсидом, состоящим из множества отдельных повторяющихся звеньев. Структура этих "кубиков", по словам Каэтано-Аноллеса, достаточно медленно меняется, что позволяет раскрывать историю эволюции вирусов по различиям в генах, содержащих в себе инструкции по сборке капсида.

Руководствуясь этой идеей, авторы статьи расшифровали и сравнили структуры генов, отвечающие за сборку подобных молекул, в пяти тысячах различных штаммов вирусов, бактерий и многоклеточных существ. Бактерии и многоклеточные попали в этот анализ по той причине, что их геномы содержат в себе обрывки ДНК древних ретровирусов, исчезнувших сотни миллионов лет назад.

Это сравнение раскрыло две интересные и относительно неожиданные вещи — ученым удалось найти фрагменты вирусной ДНК, которые никак не могли быть обрывками генома многоклеточных и бактерий, которых многие ученые считали непроизвольными "родителями" вирусов. Вдобавок к этому большая часть вирусов, судя по сходствам в структуре белков капсида, происходит от одного общего предка.

"Все это говорит о том, что мы можем построить "древо жизни" с участием вирусов, так как нашли множество черт в устройстве их генов, которые роднят их с клетками. Кроме того, у них есть свои уникальные компоненты. Это дерево показывает, что вирусы являются потомками нескольких групп древних клеток, сосуществовавших с предками современных клеток", — продолжил Каэтано-Аноллес.

Подобное положение вирусов на древе жизни позволяет с уверенностью говорить, что они являются не обрывками "взбунтовавшейся" неживой ДНК, случайно получившей способность заражать другие клетки, а особой формой жизни, которая стала специализироваться на внутриклеточном паразитизме после того, как один из предков вирусов научился защищать свой генетический код при помощи капсида.

Неприятно познакомиться: как появились вирусы и почему в России их меньше, чем в Китае

Неприятно познакомиться: как появились вирусы и почему в России их меньше, чем в Китае

— За всю историю исследований в основном изучались вирусы человека и сельскохозяйственных животных, — поясняет «Вечерке» вирусолог, директор Института медицинской паразитологии, тропических и трансмиссивных заболеваний им. Е. И. Марциновского Сеченовского университета Александр Лукашев. — А вирусы есть у каждого вида живых существ на Земле, в том числе у грибов, мхов, бактерий, простейших. И многие могут перейти к человеку.

Когда и при каких условиях тому или иному вирусу приспичит активизироваться — вопрос, не поддающийся прогнозам. Точнее, «паразиты» бомбардируют все живое постоянно. Вирусная атака — это процесс в природе непрекращающийся. Ведь вирус не бактерия и не микроорганизм. Это фрагмент генетической информации, упакованный в белковую оболочку. У него нет клетки, а значит, вне живого организма он как бы не живет, а находится в замершем состоянии. Поэтому если вы спросите у специалиста, живые вирусы или нет, он ответит уклончиво: как бы нет, но в общем-то да. Делиться самостоятельно вирус не может, и чужая клетка нужна ему, чтобы жить.

— Любая живая информация старается выжить в биосфере, — говорит вирусолог Александр Лукашев. — Главная эволюционная задача вируса — не уничтожить живую клетку, а, используя ее ресурсы, размножиться как можно в большем количестве своих копий. У вируса нет задачи быть «плохим». Наоборот, «хороший» вирус имеет преимущества. Например, вирус герпеса большинству людей практически не наносит вреда. Им заражены все, он распространен повсеместно, и свою функцию — максимально размножиться — он выполняет. А, скажем, вирус Эболы убивает примерно половину своих жертв, и в том числе и поэтому он не может размножиться в популяции человека. С точки зрения эволюции убивать своего носителя вирусу невыгодно. Клеткам живых организмов приходится держать глухую оборону практически постоянно. Но человек и не знает, что находится под обстрелом фрагментов генетической информации, потому что в подавляющем большинстве случаев клетки самостоятельно разбираются с захватчиком, не допуская заражения. Только с воздухом мы вдыхаем едва ли не ежесекундно десятки вирусов, и ничего.

— Первая задача вируса — попасть в клетку, — продолжает рассказ вирусолог Лукашев. — В течение нескольких часов он подчиняет ее. В клетке есть системы противовирусной защиты, и вирусу необходимо их подавить, не допустив, чтобы она покончила жизнь самоубийством. Ведь когда вирус попал внутрь клетки, ее уже не спасти, и она сама себя старается убить. Или же клетка может дать сигнал другим клеткам, что с ней что-то не так, и начнется воспаление. Вирусы этот механизм тоже подавляют, но с разной степенью успешности. Попыток захвата клеток вирусами на самом деле намного больше, чем случаев, когда начинается болезнь. Чаще клетка побеждает, и мы даже не узнаем, что в нас проникал вирус. Но как же тогда возникают эпидемии? И почему вдруг разбушевался коронавирус в Китае? По словам экспертов, на руку вирусам играет банальное стечение обстоятельств. Притом что вирусы обстреливают людей с завидным упрямством, смертоносными они становятся, когда им удается перейти от одного вида к другому. Да, у каждого вируса есть строго специфичный набор клеток, в которые он может проникнуть, но время от времени, как известно, и палка стреляет.

— Вирусы редко переходят между видами нечасто, — говорит вирусолог Александр Лукашев. — Скажем, вирусы от растений к животным переходят, наверное, раз в один миллион лет. Бомбардировка новых видов происходит постоянно, но чаще всего безуспешно. Легче перейти к близкому виду. Например, от приматов к человеку вирусы переходят много раз в год. От млекопитающих — примерно раз в 10 лет. Ту же Эболу человек подхватывает от летучих лисиц. И вспомним свиной грипп и другие «болячки», перешедшие от животных. Случаи могут регистрироваться, например, и два года подряд, а потом 20 лет будет затишье, но я говорю о средней периодичности. Но на каждый успешный переход приходится, условно, миллион безуспешных.

По словам вирусолога, в случае с коронавирусом мы как раз наблюдаем результат удачного межвидового перехода: вирусом человека наделили летучие мыши, как стало известно на днях, при посредничестве панголина . Успешное проникновение «животного» вируса в человеческую клетку, помноженное на благоприятные для его распространения условия, — и вот уже новый вирус копируется в человеческом организме.

— Скученность населения и, скажем так, очень близкий контакт между людьми и животными — в Китае совпали все условия. Из-за особенностей пищевых рынков и, возможно, более высокой восприимчивости населения «чужой» вирус «зацепился», а дальше из-за высокой плотности китайского населения смог распространиться, — рассуждает вирусолог Александр Лукашев. — У нас в стране совсем другие условия, хотя известно, что зараженные примерно такими же опасными вирусами летучие мыши обитают на юге России. Кроме того, мы летучих мышей и панголинов не едим, не разделываем и на рынках не продаем, а значит, и попыток перейти от животного к человеку их вирус может предпринимать значительно меньше. Гипотетически же к человеку может перейти огромное число вирусов — умножьте число всех видов млекопитающих на 1000 и примерно узнаете, сколько. Но если нет условий, выгодных для распространения заразы, бояться нечего.

Вместе с тем наука признала, что вирусы — это наследие древнего мира, существовавшего до появления первой живой клетки, четыре миллиарда лет назад. Более того, из вирусов или их остатков по большей части состоит геном человека. Это значит, что они были основой развития жизни на Земле. Доказано, что человек, как млекопитающее, обязан существованием именно им, поскольку благодаря вирусам у наших предков начала формироваться плацента. Как? Они привнесли в человеческий геном белок, отвечающий за ее функцию. Кроме того, вирусы сильно повысили эффективность эволюции. Они переносили генетическую информацию намного эффективнее, чем это делалось только в ходе естественного размножения. То есть удачные гены они передавали не потомству вида, а сразу в новый организм.

Вирусы мутируют. Ученые говорят, что у многих из них каждый новый геном имеет дополнительную мутацию. Изменяется вирус иногда в течение нескольких часов. Внутри одной клетки, внутри одного цикла размножения одинаковых вирусов нет! Чтобы иметь возможность приспособиться к новым условиям, вирус меняется, производя в популяции самые разные варианты. Мутация для вирусов — обязательная часть их жизненного цикла. Собственный геном вирусов в миллион раз меньше человеческого, и чтобы с нами конкурировать, они мутируют, создавая множество вариантов, которые могут «пригодиться» в разных условиях.

Относятся ли вирусы к живой природе?


Вирусы попадают под определение жизни: они находятся где-то посредине между сверхмолекулярными комплексами и очень простыми биологическими организмами. Вирусы содержат некоторые структуры и демонстрируют определенные виды деятельности, которые являются общими для органической жизни, но им не хватает многих других характеристик. Они полностью состоят из одной цепи генетической информации, заключенной в оболочку белка. Вирусы испытывают недостаток большей части внутренней структуры и процессов, которые характеризуют «жизнь», включая биосинтетический процесс, необходимый для размножения. Чтобы реплицировать (воспроизводится), вирус должен инфицировать подходящую клетку-хозяина.

Когда исследователи впервые обнаружили вирусы, которые вели себя как бактерии, но были намного меньше и вызывали такие заболевания, как бешенство и ящур, стало общеизвестно, что вирусы биологически «живы». Однако это восприятие изменилось в 1935 году, когда вирус табачной мозаики кристаллизировали, и показали, что у частиц не было механизмов, необходимых для метаболической функции. Как только было установлено, что вирусы состоят только из ДНК или РНК, окруженной белковой оболочкой, научной точкой зрения стало, что они являются более сложными биохимическими механизмами, чем живые организмы.

Вирусы существуют в двух разных состояниях. Когда он не контактируют с клеткой-хозяином, вирус остается полностью бездействующим. В это время внутри вируса нет внутренней биологической активности, и по существу вирус является не более чем статической органической частицей. В этом простом, явно неживом состоянии вирусы называются «вирионами». Вирионы могут оставаться в этом состоянии бездействия в течение продолжительных периодов времени, терпеливо ожидая контакта с соответствующим хозяином. Когда вирион входит в контакт с соответствующим хозяином, он становится активным вирусом. С этого момента вирус отображает свойства, типичные для живых организмов, такие как реагирование на окружающую среду и направление усилий на саморепликацию.

Что определяет жизнь?

Нет четкого определения того, что отделяет живое от неживого. Одним из определений может быть точка, в которой субъект имеет самосознание. В этом смысле, тяжелая травма головы, может классифицироваться, как смерть мозга. Тело и мозг могут все еще функционируют на базовом уровне, а также заметна метаболическая активность во всех клетках, составляющих большой организм, но предполагается, что нет самосознания, и следовательно, мозг мертв. На другом конце спектра критерием определения жизни является возможность передать генетический материал будущим поколениям, тем самым восстановив свое подобие. Во втором, более упрощенном определении, вирусы несомненно живы. Они, бесспорно, являются наиболее эффективными на Земле при распространении своей генетической информации.

Хотя нет окончательного решения вопроса о том, можно ли считать вирусы живыми существами, их способность передавать генетическую информацию будущим поколениям делает их основными игроками в разрезе эволюции.

Доминирование вирусов

Для большинства, кто считает вирусы просто паразитами, они представляют собой самый большой компонент биомассы на этой планете. До сих пор, каждый живой организм, который был изучен до настоящего времени, имел по крайней мере один вирус, связанный с ним. Если учитывать не только всеохватывающие вирусное присутствие на этой планете, но и каждый упорядоченный организм на сегодняшний день, содержащий составляющую своего генома вирусного происхождения, то становится очевидным, что вирусы являются неотъемлемым стимулом в развитии жизни.

Организация и сложность медленно увеличивались с того момента, когда макромолекулы начали собираться в изначальном супе жизни. Нужно задуматься о существовании необъяснимого принципа, прямо противоположного второму закону термодинамики, который ведет эволюцию к высшей организации. Мало того, что вирусы были чрезвычайно эффективны при распространении собственного генетического материала, они также несли ответственность за несказанное перемещение и смешивание генетического кода между другими организмами. Вариабельность генетического кода, возможно, является движущей силой эволюции. Благодаря выражению переменных фенотипов, организмы способны адаптироваться и стать более эффективными в изменяющихся условиях окружающей среды.

Заключительная мысль

Может быть, актуальный вопрос заключается не в том, живы ли вирусы, сколько в том, какова их роль в движении и формировании жизни на Земле, как мы ее воспринимаем сегодня?

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!
При симпотмах заболевания - обратитесь к врачу.

Читайте также: