Podcast o Biologia mikromycetów i drożdży

Přepis

Klára: Pamiętasz to dziwne uczucie, kiedy w 2020 roku świat niemal się zatrzymał? Zamknięte szkoły, puste ulice, maseczki... a to wszystko przez jedną niewidzialną cząsteczkę, która postanowiła zrobić sobie z planety plac zabaw. Zastanawialiście się kiedyś, jak coś tak małego, co nawet technicznie rzecz biorąc nie jest żywe, może wywołać taki chaos?

Matěj: To jest właśnie to pytanie za milion, Klaro. I właśnie ten mikroskopijny pirat będzie naszym dzisiejszym tematem.

Klára: Świetnie! Słuchacie Studyfi Podcast, a my dziś z ekspertem Matejem zanurzymy się w świat wirusów.

Matěj: No to zaczynamy. Co właściwie wyobrażasz sobie pod słowem wirus?

Klára: Coś małego, złego, co powoduje choroby. Grypę, katar, ospę...

Matěj: To dobre wyobrażenie, ale brakuje tam najważniejszego szczegółu. Wirus to w zasadzie organizm bezkomórkowy. To znaczy, że sam w sobie nie ma komórki, nie ma własnego metabolizmu... to w zasadzie tylko kawałek informacji genetycznej w białkowej otoczce.

Klára: Czekaj, czyli kiedy tak sobie lata w powietrzu, właściwie „nie żyje”?

Matěj: Dokładnie tak! Ożywa, i to jest słowo klucz, dopiero w momencie, gdy zainfekuje komórkę gospodarza. To taki ostateczny pasożyt wewnątrzkomórkowy. Bez komórki nie potrafi się rozmnażać, nie potrafi nic.

Klára: Czyli to właściwie taki kosmiczny pirat, który porywa statek – naszą komórkę – i każe załodze budować kolejne pirackie statki?

Matěj: To jest absolutnie doskonała analogia! Dokładnie to robi. Wkłada do komórki swój plan genetyczny, a aparat proteosyntetyczny komórki, czyli jej „fabryka” białek, zaczyna produkować nowe i nowe wirusy zamiast tego, co komórka potrzebowałaby.

Klára: Fascynujące! A jak właściwie są duże? Mniejsze niż bakterie, prawda?

Matěj: Dużo mniejsze. Mówimy o rozmiarze od 20 do 300 nanometrów. Dla porównania, to tysiąc razy mniej niż średnica ludzkiego włosa. Chociaż istnieją też olbrzymie wirusy, takie jak na przykład Pythovirus, który jest wielkości małej bakterii.

Klára: A nauka, która to wszystko bada, to wirologia. Proste. Czy istnieją też jakieś inne podobne „dziwactwa”?

Matěj: Tak. Oprócz wirusów mamy jeszcze wiroidy i priony. Wiroidy są jeszcze prostsze – to tylko cząsteczka RNA bez otoczki, która atakuje głównie rośliny. A priony, to już zupełnie inna liga... to tylko źle zwinięte białko, które potrafi „zarazić” inne białka, żeby też źle się zwinęły. Powodują na przykład chorobę szalonych krów.

Klára: Dobrze, wracamy do naszych piratów. Wspomniałeś o informacji genetycznej i białkowej otoczce. Jak to wygląda razem?

Matěj: Tę kompletną cząsteczkę wirusową nazywamy wirionem. Składa się z nukleokapsydu. Brzmi skomplikowanie, ale to tylko genom – czyli DNA lub RNA – zapakowany w białkową otoczkę, którą nazywamy kapsydem.

Klára: A ten kapsyd to tylko jakiś woreczek?

Matěj: Ależ skąd, to wysoce zorganizowana struktura. Składa się z mniejszych jednostek, kapsomerów. One układają się w różne kształty. Najczęściej jest to albo helikalna, czyli śrubowa symetria – wyobraź sobie to jako taką pałeczkę lub włókno. Przykładem jest wirus mozaiki tytoniu.

Klára: A ta druga opcja?

Matěj: Druga to symetria kubiczna, najczęściej w kształcie dwudziestościanu, fachowo ikosaedru. To taki kształt przypominający piłkę nożną albo kostkę z Dungeons & Dragons. To energetycznie najbardziej korzystny sposób na zamknięcie jak największej objętości.

Klára: Czyli wirusy grają w Dungeons & Dragons! A co to znaczy, kiedy mówi się „wirus otoczkowy”?

Matěj: To dodatkowa warstwa. Niektóre wirusy, opuszczając komórkę gospodarza, „kradną” kawałek jej błony i otaczają się nią. Do tej otoczki wkładają potem własne glikoproteiny, które pomagają im przyczepić się do kolejnej komórki. Wirus grypy czy HIV to typowe wirusy otoczkowe.

Klára: Zajrzyjmy do środka. Co z tym genomem? U nas to dwuniciowa helisa DNA. Jak to jest u wirusów?

Matěj: Tutaj jest największa różnorodność w całej przyrodzie! Genom wirusowy może być zarówno DNA, jak i RNA. Może być jednoniciowy (ss jak single-stranded) lub dwuniciowy (ds jak double-stranded). Może być liniowy lub kolisty. A może być nawet segmentowany, czyli podzielony na kilka części. Wirus grypy ma na przykład osiem segmentów RNA.

Klára: Wow. To prawie tak, jakby mógł sobie wybrać z menu. A co jest zapisane w tym genomie?

Matěj: Tylko to, co najpotrzebniejsze. Kilka genów, które kodują białka strukturalne – czyli te, które tworzą kapsyd. A potem te niestrukturalne, funkcjonalne białka. To są te kluczowe narzędzia, którymi wirus „przeprogramowuje” komórkę.

Klára: Na przykład?

Matěj: Na przykład enzymy takie jak polimeraza RNA czy odwrotna transkryptaza, która potrafi przepisać RNA z powrotem do DNA, co jest specjalnością retrowirusów takich jak HIV. Albo neuraminidaza u grypy, która pomaga nowym wirionom odciąć się od komórki i iść infekować kolejne.

Klára: Dobrze, mamy tu ogromną różnorodność kształtów, genomów, białek... Jak wirolodzy robią w tym porządek? Według czego wirusy się klasyfikuje?

Matěj: To całkiem nauka. Istnieje kilka systemów klasyfikacji. Ten najbardziej podstawowy jest według gospodarza. Mamy wirusy bakterii – nazywamy je bakteriofagami. Potem wirusy roślin, grzybów, i oczywiście zwierząt, do których należymy i my.

Klára: To ma sens. A dalej?

Matěj: Potem klasyfikuje się je według struktury wirionu – kubiczne, włókniste, z otoczką, bez otoczki. Ale najważniejszy system, który jest dziś używany, to tak zwana klasyfikacja Baltimore’a. I uwaga, od 2024 roku wprowadzane jest też nowe nazewnictwo binominalne, podobnie jak u zwierząt i roślin, więc na przykład wirus grypy nazywa się teraz *Alphainfluenzavirus influenzae*.

Klára: Klasyfikacja Baltimore’a? To brzmi jak z jakiegoś filmu szpiegowskiego.

Matěj: To trochę detektywistyczna historia. David Baltimore, laureat Nagrody Nobla, wpadł na genialny pomysł. Podzielił wirusy na siedem klas w zależności od tego, jaki mają genom i co najważniejsze – w jaki sposób z niego tworzą cząsteczkę mRNA, czyli matrycowy RNA.

Klára: Dlaczego akurat mRNA jest tak ważne?

Matěj: Ponieważ mRNA to uniwersalny przepis, który rozumieją rybosomy komórki gospodarza. Niezależnie od tego, z jakim typem genomu wirus przyjdzie – dsDNA, ssRNA, cokolwiek – jego ostatecznym celem jest zawsze stworzenie mRNA, które komórka odczyta i według niego zacznie produkować białka wirusowe. Schemat Baltimore’a to właściwie mapa siedmiu różnych strategii, jak to osiągnąć.

Klára: Spójrzmy na kilka konkretnych przykładów. Które rodziny wirusów powinien znać każdy maturzysta?

Matěj: Na pewno Herpeswirusy. To duża rodzina, do której należą wirus opryszczki (Herpes simplex), ospa wietrzna i półpasiec (Varicella zoster) lub wirus Epsteina-Barra, który powoduje mononukleozę zakaźną. Ich specjalnością jest to, że pozostają w organizmie przez całe życie w fazie utajonej.

Klára: Czyli nigdy się ich nie pozbędziemy?

Matěj: W zasadzie nie. Tylko „śpią” w komórkach nerwowych i przy osłabieniu odporności mogą się ponownie obudzić. Potem mamy Poxwirusy, do których należał wirus ospy prawdziwej. To jedyna ludzka choroba, którą udało nam się całkowicie wyeliminować z planety dzięki szczepieniom.

Klára: To ogromny sukces nauki! Co dalej?

Matěj: Na pewno Adenowirusy i Papillomawirusy. Adenowirusy powodują typowe infekcje dróg oddechowych lub zapalenia spojówek i dziś są często wykorzystywane jako wektory do szczepionek, na przykład w AstraZenece. Ludzkie wirusy brodawczaka, czyli HPV, z kolei powodują brodawki i niektóre typy są odpowiedzialne za raka szyjki macicy.

Klára: Przeciwko któremu na szczęście też można się zaszczepić. Czy wszystkie wirusy są takie... proste?

Matěj: Ależ skąd. Weźmy na przykład Retrowirusy. Ich przedstawiciel, HIV, ma genom RNA, ale za pomocą enzymu odwrotnej transkryptazy przepisuje go w komórce na DNA i to DNA następnie wstawia bezpośrednio do naszego genomu! Staje się trwałym elementem naszej informacji genetycznej.

Klára: To przerażające. Czyli komórka potem na zawsze produkuje kolejne wirusy?

Matěj: Dokładnie tak. A ponieważ atakuje kluczowe komórki układu odpornościowego, stopniowo go niszczy, a ciało nie jest w stanie bronić się nawet przed zwykłymi infekcjami. Ten stan nazywamy AIDS.

Klára: A co taka klasyka jak grypa? Gdzie ona należy?

Matěj: Grypa to Orthomyxowirus. To otoczkowy wirus RNA z segmentowanym genomem. I właśnie te segmenty są kluczem do jego niebezpieczeństwa. Kiedy w jednym gospodarzu, na przykład u świni, spotkają się dwa różne szczepy grypy, na przykład ptasi i ludzki, mogą wymieniać się swoimi segmentami.

Klára: Jakbyś wymieniał się kartami Pokémonów?

Matěj: Dokładnie tak! I powstaje w ten sposób zupełnie nowy wirus z nową kombinacją białek powierzchniowych, takich jak hemaglutynina (H) i neuraminidaza (N). Nasz system odpornościowy go nie zna, i tak może powstać pandemia. Dlatego mamy nazwy takie jak H1N1 czy H5N1.

Klára: A koronawirusy? Tych chyba po niedawnym doświadczeniu nie musimy długo przedstawiać.

Matěj: Oczywiście. Koronawirusy to także otoczkowe wirusy RNA. Zazwyczaj powodują zwykłe przeziębienia, ale od czasu do czasu pojawia się jakiś, który przeskakuje ze zwierząt, jak SARS-CoV-1 w 2003 roku czy MERS, i oczywiście SARS-CoV-2, który spowodował COVID-19.

Klára: A co na przykład kleszczowe zapalenie mózgu?

Matěj: Ono należy do Flavivirusów. To tak zwane arbowirusy, ponieważ są przenoszone przez stawonogi (arthropod-borne). Należą tu także wirus Zika, gorączka Denga czy żółta febra, które przenoszą komary.

Klára: Mówimy głównie o wirusach, które szkodzą. Czy istnieją też jakieś „dobre” wirusy? Albo przynajmniej użyteczne?

Matěj: Zdecydowanie! Weźmy bakteriofagi – wirusy, które atakują wyłącznie bakterie. Dla nas są nieszkodliwe. I to zaczyna być masowo wykorzystywane. Wyobraź sobie, że masz w ciele infekcję bakterii, która jest oporna na wszystkie antybiotyki.

Klára: To brzmi jak koniec...

Matěj: Ale co jeśli wyślemy na nią armię specyficznych fagów, które dokładnie tę bakterię znajdą i zniszczą? To nazywa się terapia fagowa i jest to ogromna nadzieja dla medycyny. Co więcej, fagi są używane w biologii molekularnej jako narzędzia do wprowadzania genów do komórek lub do klonowania.

Klára: Czyli wirus jako lek. To świetny zwrot akcji! A jak właściwie wirusy są badane i wykrywane w laboratorium?

Matěj: Klasyczną metodą jest hodowla na kulturach komórkowych, gdzie obserwujemy tak zwany efekt cytopatyczny – czyli widoczne uszkodzenie komórek. Ale to jest powolne. Dziś złotym standardem jest metoda PCR, konkretnie ilościowa PCR.

Klára: Tę już wszyscy znamy z testowania na COVID.

Matěj: Dokładnie. Pozwala nam znaleźć i namnożyć specyficzny kawałek informacji genetycznej wirusa, więc wykrywamy go bardzo szybko i czule. Wadą jest to, że nie powie nam, czy ten wirus jest nadal zakaźny, „żywy”, czy też wykrywamy tylko jego resztki.

Klára: A jak nasze ciało broni się przed wirusami?

Matěj: Mamy dwie główne linie obrony. Niespecyficzną, gdzie na przykład komórki NK zabijają zainfekowane komórki bez większego zastanowienia. A potem specyficzną, gdzie wkraczają wyspecjalizowane limfocyty T, które celowo wyszukują i niszczą komórki zaatakowane przez konkretny wirus, który już pamiętają.

Klára: Wow, dzisiaj to była prawdziwa jazda od struktury molekularnej aż po pandemie i terapię fagową. Jest tego mnóstwo, ale myślę, że teraz już patrzę na wirusy zupełnie inaczej. Nie tylko jak na wrogów.

Matěj: I to jest najważniejsza konkluzja. To fascynujące byty na pograniczu życia i materii nieożywionej, które kształtowały i nadal kształtują życie na Ziemi. Bez nich być może nawet by nas tu nie było.

Klára: Czyli wirusy są... dziwne. Ale teraz przechodzimy do czegoś, co według mnie jest jeszcze dziwniejsze. Priony.

Matěj: Dokładnie tak. Wyobraź sobie białko, które oszaleje i zacznie przekształcać swoje zdrowe „koleżanki” w swoją złą wersję. To w skrócie prion.

Klára: Czekaj, czyli to nie jest żywy organizm? Tylko... wadliwe białko?

Matěj: Dokładnie. Normalnie mamy w komórkach nerwowych białko PrP C. Ale kiedy zmieni swój kształt na złą wersję, PrP Sc, uruchamia się dosłownie reakcja łańcuchowa.

Klára: Jak niepowstrzymujące się domino?

Matěj: Bingo. A nagromadzenie tych złych białek w końcu zabija komórkę. W mózgu powstają w ten sposób dziury, stąd nazwa encefalopatie gąbczaste.

Klára: To ta słynna choroba szalonych krów, prawda?

Matěj: Dokładnie, to jest BSE. Ale należy tu też ludzka choroba Creutzfeldta-Jakoba lub Kuru.

Klára: Dobrze, a jak się tego pozbędziemy? Wystarczy to ugotować?

Matěj: Gdyby tylko. Priony są ekstremalnie odporne. Przeżywają gotowanie, autoklawowanie i silne chemikalia. To w zasadzie superzłoczyńcy świata białek.

Klára: Wow. A mogą przenosić się między gatunkami? Na przykład z krowy na człowieka?

Matěj: Niestety tak, to potwierdzony przypadek w BSE. Okres inkubacji może być dodatkowo ekstremalnie długi, nawet dziesiątki lat.

Klára: Szalony, w zasadzie niezniszczalny protein... to naprawdę niepokojące. Spójrzmy teraz raczej na to, jak nasze ciało broni się przed innymi, bardziej powszechnymi zagrożeniami.

Klára: Dobrze, więc teraz wiemy, czym są wirusy. Ale zastanawiam się... kiedy właściwie po raz pierwszy je odkryliśmy? Musiały tu być od zawsze.

Matěj: Dokładnie. Pierwsze kroki były raczej pośrednie. Już w 1798 roku Edward Jenner wprowadził zasadę szczepienia przeciwko ospie prawdziwej. Po nim w 1885 roku Louis Pasteur ze szczepionką przeciwko wściekliźnie. Ale żaden z nich nie znał wirusa jako takiego.

Klára: Czyli walczyli z wrogiem, którego nawet nie widzieli? To brzmi trochę jak science fiction.

Matěj: Dokładnie tak. Pierwszy prawdziwy dowód przyniósł dopiero Dmitrij Iwanowski w 1892 roku w przypadku wirusa mozaiki tytoniu. A sam termin „wirus” wprowadził Martinus Beijerinck w 1898 roku.

Klára: A co działo się w XX wieku? To musiał być duży skok.

Matěj: Ogromny. W 1911 roku Francis Peyton Rous powiązał wirusy z chorobą nowotworową u drobiu. A zaraz potem, między 1915 a 1919 rokiem, Frederick Twort i Félix d'Hérelle odkryli bakteriofagi – wirusy, które atakują bakterie.

Klára: Czekaj, czyli istnieją wirusy, które atakują bakterie? To całkiem ciekawe.

Matěj: Tak jest. Ale największy przełom nastąpił dopiero wraz z technologią. Dzięki mikroskopowi elektronowemu, opracowanemu w latach trzydziestych, mogliśmy w końcu obejrzeć wirusy.

Klára: A co z nowszymi odkryciami?

Matěj: Tam poszło szybko. W 1967 roku Theodor Diener odkrył wiroidy, jeszcze mniejsze cząsteczki zakaźne. Potem nastąpiło odkrycie odwrotnej transkryptazy, kluczowe dla zrozumienia retrowirusów takich jak HIV, który został wyizolowany w 1983 roku. W tym samym roku nawet odczytaliśmy całe DNA bakteriofaga lambda.

Klára: Wow. Czyli od walki z niewidzialnym wrogiem aż po odczytanie jego kompletnego kodu genetycznego. To niesamowity postęp.

Matěj: Dokładnie. I właśnie na ten kod genetyczny i samą budowę wirusów spojrzymy teraz.

Klára: No i na nasz ostatni dzisiejszy punkt mam pytanie... czy Czesi też zostawili jakiś wyraźny ślad w epidemiologii?

Matěj: I to jaki! Musimy wspomnieć Karla Raškę, założyciela czechosłowackiej epidemiologii. To był niesamowity wizjoner i tak trochę naukowy superbohater.

Klára: Superbohater? To mnie interesuje! Co było jego największym dziełem?

Matěj: Od 1963 roku prowadził w WHO program na rzecz wyeliminowania ospy prawdziwej. I dokonał tego! Dzięki jego strategii w 1977 roku odnotowano ostatni przypadek, a w 1980 roku ospa została oficjalnie uznana za wyeliminowaną. Zniknęły z planety.

Klára: Wow, to niesamowite. Czyli właściwie uratował miliony istnień. I to nie było wszystko, prawda?

Matěj: Dokładnie tak. Stał też za programami na rzecz wyeliminowania krztuśca czy polio i wprowadził koncepcję tak zwanego nadzoru epidemiologicznego, czyli ciągłego monitorowania chorób. Ten system jest używany do dziś.

Klára: Niesamowita historia. Czyli od wirusów przez bakterie aż po epidemiologię... Dzisiaj omówiliśmy naprawdę sporo. Mateju, bardzo ci dziękuję za świetne wyjaśnienie.

Matěj: Ja również dziękuję za zaproszenie, Klaro. A wam, słuchaczom, życzę wielu sukcesów w nauce.

Klára: Dokładnie tak. Trzymajcie się ciepło i słyszymy się znowu następnym razem w kolejnym odcinku Studyfi Podcastu. Cześć!