Pradėkime nuo pat pradžių. Kas yra virusas? Kuo virusai skiriasi nuo kitų biologinių objektų?
Visa gyvybė – ląstelinė. Ląstelė – minimalus gyvybės vienetas, savotiška gyvybės kapsulė, nuo supančio pasaulio atsiribojusi pusiau pralaidžiu apvalkalu, kaip namelis su langais ir durimis. Ląstelėje vyksta įvairūs procesai, iš išorės Saulės šviesos ar maistinių medžiagų pavidalu gaunama energija naudojama ląstelės augimui ir dalijimuisi į dukterines ląsteles. Visi procesai visose ląstelėse – nesvarbu, žmogaus ar mikrobo – vyksta, pagal tam tikras, DNR užkoduotas taisykles ir šis kodas būdingas visai gyvybei.
Virusai – ląstelių parazitai, genetinės programos, naudojančios tokį patį kodą, kaip ir ląstelės, tačiau savarankiškai perdirbti energijos ir kurti gyvybei būtinų molekulių nesugeba.
Tai yra, virusai nėra gyvi? Kaip bendrai įvyksta užsikrėtimas?
Virusas – savotiškas „vokelis“ su nukleinine rūgštimi, genetine viruso medžiaga. Virusas gali sąveikauti su atitinkamo tipo – skirtingų tipų virusai taikosi į skirtingas taikinius – ląstelių paviršiuje esančius taikinius. Yra virusų, užkrečiančių žmonių ląsteles, yra užkrečiančių vabzdžius, augalus ir taip toliau. Virusinė dalelė susijungia su jai būdingo tipo ląstele ir įšvirkščia į ją savo genetinę medžiagą. Ląstelė, lig šiol užsiėmusi savo reikalais: augusi, ruošusis dalinimuisi ir panašiai, persitvarko, ir pradeda savo išteklius naudoti naujų viruso kopijų gamybai. Vėliau ląstelė pratrūksta ir paskleidžia kelis šimtus pagamintų dukterinių virusų, genetiškai identiškų ląstelę užkrėtusiajam. Jie užkrečia kaimynines ląsteles, ir procesas prasideda iš naujo. Jis tęsiasi, kol visos ląstelės išmiršta, arba kol atsiranda virusui atsparios ląstelės.
Ar virusai laikytini gyvais?.. Tai kaip kompiuterių virusas – jis egzistuoja tik todėl, kad egzistuoja kompiuteris.
Beje, yra hipotezė, kad gyvybė, Žemėje atsiradusi prieš maždaug 4 milijardus metų, užgimė būtent iš virusų. Tačiau tai – tik hipotezė.
O kam gamta apskritai sukūrė virusus?
O kam gamta sukūrė žmones? Gamta niekados nieko nekuria kokiu nors tikslu, biologijai klausimas „dėl ko, kodėl?“ neegzistuoja. Atsakymas visada toks pats – „todėl“. Gyvybės įvairovė randasi vykstant evoliucijai, o ne link kokio tikslo ar kokia apibrėžta kryptimi.
Nėra jokios liniuotės, rodančios, kad kadaise nuo vienaląsčio organizmo prasidėjusi gyvybė pamažėle išsivystė iki mūsų tam, kad atliktų kokią nors užduotį. Vyksta nuolatinis bandymų ir klaidų procesas, kuriame atrenkami geriausiai prisitaikę.
Mes visi gyvename planetoje ir gauname energiją iš Saulės, įvairios gyvybės formos įvairiai ir skirtingu efektyvumu tą energiją panaudoja savęs kūrimui.
Augalai gaudo šviesą tiesiogiai, užsiima fotosinteze, kai kas, pavyzdžiui, žolėdžiai, ėda augalus, kai kas ėda žolėdžius. Bakterijos ėda visus. Kiekvienas turi nuosavą energijos panaudojimo strategiją. Sėkmės kriterijus – kiek galite palikti palikuonių. Visos gyvybės formos būtent tuo ir užsiima. Būti virusu – sėkminga parazito strategija, išvaduojanti nuo būtinybės turėti nuosavą energijos perdirbimo sistemą ir išnaudojanti ląstelės energetinius resursus.
Kokios sėkmingiausios virusų strategijos?
Paimkime šeimininko ir parazito sistemą, šiuo atveju, ląstelės ir viruso. Jei parazitui šeimininkas, nešiotojas tėra maisto išteklius, mėsos gabalas, kuriame galima daugintis, tada patogiausia strategija – ateiti, užkrėsti, sunaikinti ir susilaukti kuo daugiau palikuonių. O tai maža ką, šeimininkas, žiū, dar pasimirs kol esate jame. Tai viena strategija. Tačiau problema, kad tikri parazitai, tie patys virusai, be šeimininko egzistuoti negali. Tai yra, nužudęs visus šeimininkus, parazitas žus ir pats. Love-hate relationship. Todėl naudingesnė ilgalaikė strategija – egzistuoti kartu su šeimininku, kažką iš jo gauti ir galbūt kažką duoti mainais. Taip parazitavimas pamažėle gali evoliucionuoti į simbiozę.
Šiaip jau simbiozės pavyzdžių gamtoje daugybė, ne tik virusų ir ląstelių, bet ir pačių ląstelių ar net visų organizmų tarpusavio santykiuose. Pavyzdžiui, augalai deguonį gamina dėl chloroplastų, kilusių iš fotosintetinančių bakterijų. Tai yra, prieš daug milijonų metų šiuolaikinių augalų protėvių ląstelė priglaudė tokią bakteriją ir dabar ši gyvena jų ląstelių viduje. Nežinome, ar iš pradžių tai buvo parazitizmas, tačiau augalų ląstelės ir chloroplastai labai gerai vienas prie kito prisitaikė. Ir dabar jie vienas kitam reikalingi, vienas nuo kito priklauso.
Sakėte, kad mūsų virusas evoliucijos požiūriu dar nėra subrendęs. Ką tai reiškia?
Pradiniai SARS-CoV-2 šeimininkai – šikšnosparniai. ~30% šikšnosparnių užsikrėtę juo ar labai panašiais virusais. Tačiau šikšnosparniams jie, panašu, ne itin trukdo.
Veikiausiai kažkuriuo metu ne itin sėkmingai (mums, ne virusui) susiklostė aplinkybės: vienas iš virusų, pasižymėjęs gebėjimų bent kažkaip gyventi žmoguje, daugintis jo ląstelėse, persidavė netinkamu laiku netinkamoje vietoje atsidūrusiam žmogui. Paskui infekcija persidavė kitam žmogui ir taip toliau.
Tai vyksta nuolat – virusai mumyse evoliucionuoja, epidemijos metu atrenkami sėkmingesni virusai. Juk skirtingi viruso variantai konkuruoja tarpusavyje dėl substrato – dar neužkrėstų žmonių.
Viruso „sėkmingumą“ nustatyti labai sunku, jis priklauso nuo viruso prigimties, jo šeimininko elgesio, aplinkos sąlygų ir taip toliau. Daugiau šansų išplisti globaliai turi ne iš karto šeimininką pakertantis virusas, o tas kurio buvimo šeimininkas nepajus ir suteiks galimybę užkrėsti kitus. Antra vertus, dabar žmonės daug mobilesni, tad daugiau šansų turi ir virusai profesionalūs žudikai.
Ar būna simbiozių su virusais?
Be abejo. Be to, virusai užsiima profesionaliu genų gabenimu tarp skirtingų organizmų, kas, žiūrint evoliuciškai, sukelia inovacijas, naujas gyvybės formas. Mes visi – placentiniai gyvūnai. Tai štai, baltymas, būtinas placentos veikimui – virusinės kilmės. Šis žinduolių atsiradimą lėmęs evoliucinis išradimas, veikiausiai susijęs su tuo, kad kažkoks labai tolimas visų placentinių gyvūnų protėvis pasigavo šį baltymą iš viruso, giminingo ŽIV virusui. Ir šis baltymas pradėtas naudoti naujai funkcijai atlikti.
Šiaip jau, pusę mūsų genomo, sudaryto iš maždaug 25 tūkstančiai genų, aprašančių, kas mes tokie ir ko reikia žmogui pagaminti, sudaro vadinamoji nekoduojanti DNR. Didžioji jos dalis – senovinių virusų sekos, esančios mūsų genome nežinia kam. Tai tikros virusų kapinės. Kai kurie iš ten palaidotų virusų gali „prisikelti“, ir sukelti tam tikrus onkologinius susirgimus, kai kurie gal reikalingi kam nors ar jų prisireiks kada nors ateityje.
Ar galima tada iš viso kalbėti apie kokį nors virusą, jeigu jie visą laiką kinta?
O ar galima kalbėti apie konkretų žmogų, jei visi žmonės skirtingi, o kiekvienas konkretus žmogus visą laiką kinta? Žmogaus genomas nuskaitytas prieš 20 metų, tam buvo panaudota $3,6 mlrd. ir 10 metų darbo. Kyla klausimas, kieno tai genomas: jūsų, mano, ar kieno kito? Vienas iš pirmųjų žmogaus genomų – mokslininko ir verslininko, organizavusio žmogaus genomo nustatymo projektą – Craigo Venterio. Tačiau kaip susijęs jo genomas su mūsų?
Žmogaus genome – 6 milijardai DNR „raidžių“, ir skirtingų žmonių genomai skiriasi „rašybos klaidomis“, mutacijomis, pasitaikančiomis maždaug 1-os raidės iš 1000 dažniu. Tad, palyginę jūsų ir mano genomą, rastume 6 milijonus mutacijų, atsitiktine tvarka išsibarsčiusių po mūsų „genetinius tekstus“. Jos didžia dalimi lemia mūsų individualumą. Virusų istorija panaši. Nėra kažkokios vienos to ar kito viruso genomo sekos, yra labai artimų vienas kitam sekų rinkinys. Mes jį apibrėžiame kaip rūšį, nors klasikiniu požiūriu, rūšies apibrėžimas virusams netinka.
Rūšis yra populiacija, kurios atstovai gali tarpusavyje kryžmintis ir susilaukti vaisingų palikuonių. Tokiems padarams, kaip mes, toks apibrėžimas tinkamas, o štai virusams ne, mat jie savo nukleininės rūgšties, DNR ar RNR, atkarpomis gali mainytis su visiškai negiminingais virusais, su savo šeimininkais, savo šeimininkų parazitais ir taip toliau. Tai – horizontali genų pernaša, dėl kurios kartais randasi įdomios kombinacijos, genetinės inovacijos, tačiau dažniausiai, aišku, visiška nesąmonė, negyvybingi virusai.
Ar yra naudingų virusų?
Nelygu, ką vadinate nauda. Pavyzdžiui, yra bakterija, sukelianti difteriją. Anksčiau, kol nebuvo antibiotikų, difterija buvo siaubinga liga. Tai štai, pati savaime, ši bakterija yra labai miela. Tačiau pradėjusi gaminti difterijos toksiną, tampa pabaisa. Ji taip elgiasi ne dėl to, kad yra pati bloga, o dėl to, kad joje įsitaiso virusas. Šio viruso DNR yra difterijos toksino genas, suteikiantis bakterijai – jos „požiūriu“ – naudingą savybę. Mums tokia bakterijos laimė, akivaizdu, kenkia.
Kalbant apie tiesioginę naudai žmonėms, tai virusai naudojami vakcinavimui. Žodis „vakcina“ kilo nuo lotyniško „vacca“ (karvė). Kodėl karvė? Nes XVIII amžiuje gyvenęs anglų chirurgas Edvardas Dženeris išsiaiškino, kad visiems aplink sergant raupais, melžėjos likdavo sveikos. Todėl, kad jos „vakcinuodavosi“ nuo karvių (karvės irgi serga raupais, tačiau karvių raupų virusas žmonėms nebaisus). Dėl karvių raupų viruso sukeltos vakcinacijos mums susidaro imunitetas, gelbstintis nuo iš tiesų baisaus žmonių raupų viruso.
Molekulinėje biologijoje virusai plačiai naudojami – genų inžinerijai, rekombinantinei DNR kurti, šiuolaikiniams vaistams ir taip toliau.
Ar galima sakyti, kad pandemija – atsitiktinumas?
Viena vertus, bet kokia konkreti pandemija – atsitiktinumas, tačiau iš kitos pusės, jos neišvengiamos, jos kils visada. Negalime paveikti virusų ir bakterijų, kurios gali rastis „iš niekur“ ir įgyti naujas savybes. Ne mes juos išradome, jie planetoje buvo gerokai anksčiau nei mes ir gyvuos dar ilgai po mūsų. Kol yra gyvybė, bus ir parazitai, o būtent, virusai.
Tai kaip ruletė, juk evoliucija neturi tikslo. Kai kurie patogeno (dabartinės pandemijos atveju – viruso) variantai atsitiktinai įgyja naujas savybes. Tiesiog taip išpuolė, kad nesenas dabar po Žemę klajojančio viruso protėvis atsitiktinai peršoko ant žmonių. Svarbu suprasti, kad tai atsitiktinis procesas. Ne už kokias nors nuodėmes ir ne todėl, kad šis virusas, tūnodamas kur nors šikšnosparniais knibždančioje oloje, stenėjo, kaupėsi, o paskui išėjo ir visiems pakenkė.
Planetos gyvybės istorija – didžiąja dalimi virusų ir ląstelinių organizmų ginklavimosi varžybų istorija. Virusai „sugalvoja“ (o iš tiesų – atsitiktinai įgyja) priemones atakai, o ląstelės „sugalvoja“ apsaugos priemones arba žūva. Taip atsiranda įvairiausios įdomios inovacijos, kai kurias iš jų galime panaudoti mes.
Kokias, pavyzdžiui?
Pavyzdžiui, CRISPR, genų redagavimo technologija. Ji pagrįsta molekuline mašinerija, kurią bakterijos naudoja, kovodamos prieš jas užkrečiančius virusus.
Bakterijos, kurios turi CRISPR, gali paimti virusinės DNR gabalėlius ir išsaugoti juos specialioje savo DNR vietoje – atminties lokuse. Į DNR įrašyti prisiminimai apie virusą perduodami ląstelės palikuoniams. Ląstelėje yra specialus baltymas Cas9 – funkciškai tai yra žirklės, galinčios perkirpti DNR. Šios žirklės užprogramuojamos prisiminimais apie virusą. Ląstelei užsikrėtus virusu, apie kurio DNR atsiminimai išsaugoti, žirklės tą DNR sukarpo – ląstelė išgelbėta.
Superagentai mumyse…
Kažkas panašaus. Genomo redagavimo technologija, kuria galbūt bus gydomas vėžys ir įvairiausios kitos ligos, naudoja bakterijų apsaugos nuo virusų mechanizmą kovoti su genetinėmis žmogaus ligomis. Imate bakterines baltymo Cas9 žirkles, tačiau užprogramuojate jas ne virusų genomų atkarpomis, o tokiomis nors kitomis, pavyzdžiui, vėžį sukeliančia geno atkarpa. Toks užprogramuotas Cas9 žmogaus ląstelėje atakuoja jus dominantį DNR taikinį. Taip genomo chirurgai panaudoja prieš milijardus metų bakterijų „sugalvotą“ kovos prieš virusus būdą.
Kada tai bus įdiegta?
Dabar vyksta senatvinio aklumo, plaučių vėžio, kai kurių kraujo ligų gydymo klinikiniai bandymai JAV, Japonijoje ir Kinijoje.
Kokį matote COVID-19 situacijos vystymąsi?
Man atrodo, teisinga ir sąžininga būtų pasakyti „nežinau“. Beprasmiška ir neteisinga iš mokslininkų reikalauti kokių nors universalių paprastų atsakymų, ypač, kai informacijos nepakanka. Mokslininkai turi metodą, racionalų mąstymą, kuriuo iš principo galima suprasti tai, kas nežinoma. Yra protokolas, algoritmas, kuriuo vadovaujantis ir stebint reiškinį, iškeliamos kažkokios hipotezės. Paskui jos tikrinamos eksperimentiškai, vienos atmetamos, kitos lieka, ir procesas kartojamas. Procesas nėra greitas, tačiau neišvengiamas, palengva tiriamas reiškinys suprantamas vis geriau. Jokių kitų, geresnių aplinkinio pasaulio pažinimo būdų neturime.
Bendrai, prognozė tokia: visi nenumirs, nors kai kas, be jokios abejonės, numirs. Ilgainiui bus sukurti patikimi viruso diagnozavimo metodai, bus siūlomi įvairūs gydymo metodai, kuriamos vakcinos. Tai trunka ne kelias savaites ar mėnesius, tai kelių metų klausimas. Kitas klausimas, kad jų gali neprisireikti – žmonijai įgijus grupinį imunitetą. Galima taip pat prognozuot, kad konkrečiai šis virusas nuo mūsų niekur nebepasitrauks, gyvens mumyse, palengva prisitrins, taps geresnis ir mielesnis, tačiau tam reikės daug laiko.
Kuo dabar užsiima mūsų koronavirusas? Sakėte, kad jis „kaupia pasikeitimus“…
Bet kurio organizmo genomas – nukleininės rūgšties – DNR ar, rečiau, RNR – molekulėje įrašyta informacija. Kai ląstelės dauginasi, ši informacija perrašoma: iš pradžių buvo viena DNR molekulė, o pasidarė dvi, viena molekulė teko vienai dukterinei ląstelei, kitai – kitai.
Kuo ilgesnis tekstas, tuo didesnė tikimybė, kad jį kopijuojant, įsivels klaidų, pokyčių, kurių pradinėje molekulėje nebuvo. Ir kuo daugiau informacijos kopijuojama, tuo daugiau klaidų, jos kaupsis.
Pavyzdžiui, mes visi atsiradome iš vienos apvaisintos kiaušialąstės. Mūsų kūne yra šimtai trilijonų ląstelių, ir šios ląstelės atsirado, daug kartų perrašant toje apvaisintoje kiaušialąstėje buvusią informaciją. Kiekvieną kartą dalijantis ląstelei, kopijuojant DNR informaciją, į dukterines ląsteles patenka DNR su klaidomis – mutacijomis. Laikui bėgant, šių klaidų vis daugėja, gali būti, kad tai yra viena iš senėjimo priežasčių.
Tai yra, esame sudaryti iš klaidų?
Taip, beje, šis gilus teiginys taikytinas ne tik molekulinei biologijai…
Dabar panagrinėkime virusus. Štai, buvo kažkoks žmogus užsikrėtė vienu virusu. Viruso RNR pateko į pirmąją užkrėstą ląstelę, paskui toji ląstelė praplyšo ir pasklido šimtai virusinių dalelių. Juose beveik tokia pati RNR, kaip ir pirmojo viruso, tačiau ne visai – kuriant kopijas, pasitaikė „spausdinimo klaidų“. Paskui pirmosios kartos virusai užkrėtė kaimynines ląsteles ir taip toliau. Koronavirusu užsikrėtusio žmogaus kūne, biologiniuose skysčiuose yra milijardai dukterinių virusų, gal net trilijonai. Ir visi jie vos vos vienas nuo kito skiriasi.
O dabar įsivaizduokime, kad šalia pirmojo užsikrėtusiojo kas nors stovi. Sergantysis į orą išskiria daug įvairių pradinio viruso variantų. Didžioji dalis dėl genetinės medžiagos klaidų paprasčiausiai sugenda. Tai yra, genetinio teksto klaida jo prasmę pakeitė taip, kad šis virusas nebesugeba užkrėsti ląstelių. Dalis klaidų nepakeitė nieko – jų dauguma. Tačiau kai kurios klaidos suteikė virusui naujas savybes, tarkime, gebėjimą efektyviau užkrėsti kitą žmogų. Su tokia klaida virusas ir jo palikuoniai bus sėkmingesni, ir galiausiai jų bus daugiau – skirtingi virusų variantai grumiasi tarpusavyje, kad galėtų užkrėsti pro šalį einantį mėsos gabalą – žmogų. Šis procesas vyksta nenutrūkdamas, virusas kinta, ir šie pokyčiai priklauso nuo daugelio aplinkybių, ir nuo užkrečiamo žmogaus genetikos.
Kam mums žinoti, kokios klaidos įvyko?
To reikia epidemiologiniam viruso plitimo po planetą stebėjimui. Skirtingu laiku ir skirtingose vietose nustatyti viruso genomai, – kaip Biblija, kurią žmonės perrašydavo daugybę kartų, darydavo klaidas, o paskui perrašydavo tekstus su klaidomis ir darė naujas klaidas. Pakeitimas, atsitiktinai ar tyčia atsiradęs perrašant Bibliją pirmajame mūsų eros amžiuje, bus ir visuose dabar egzistuojančiuose variantuose, o vėlesni pakeitimai bus tik kai kuriuose.
Įsivaizduokime, kad išskyrėme virusą iš skirtingose ligoninėse gulinčių žmonių – Komunarkoje, Niujorke, Uhanyje – ir nustatėme jų genomus. Pamatysime, kad skirtingose vietose išskirtų virusų genomai šiek tiek skiriasi, nėra identiški. Jei visgi rasime kokius nors vienodus pokyčius, kurie yra daugumoje virusų, kyla klausimas, kodėl tie pokyčiai pasitaiko taip dažnai. Gal tai įvyko atsitiktinai, bet labiau tikėtina, kad virusai su panašiomis klaidomis kilo iš bendro protėvio. Lygiai taip, kaip ir Biblijos ar bet kokio kito rankraštinio ar dažnai perrašinėjamo teksto atveju.
Kaip tik neseniai pasakojame apie rankraščių analizę, panaudojant bioinformatiką…
Taip, tai tas pats atvejis. Gavus daug panašių sekų/tekstų, pradedama lyginti, kaip juose pasiskirstę pokyčiai. Gal nė vienoje sekoje nėra bendrų pokyčių, visi jie visiškai skirtingi, tuomet tai nieko nepasako. Tačiau jei tekstų rinkinyje matote vienas ir tas pačias klaidas, galima spėti, kad jos įvyko vienu metu kažkada seniai, o po to buvo perduotos palikuoniams, ir štai susidarė medžio šakelė, siejama bendra kilme. Analizuojant šias sekas, galima, it laiko mašina, pažvelgti atgal ir sukurti viruso evoliucijos medį, tai yra, atkurti esamos įvairovės atsiradimo vaizdą.
Jei tartume, kad virusas yra personažas, koks jo vaidmuo šioje biologinėje epopėjoje?
Virusai peršoka iš vieno organizmo į kitą. Lygiagrečiai jie kartais su savimi tamposi visokius įdomius genus. Ilgojoje perspektyvoje tai labai naudinga. Virusas yra vadinamojo horizontalaus genų pernešimo agentas, gyvybei Žemėje suteikiantis galimybę evoliucionuoti ne nuobodžiai palengva vis geriau prisitaikant, o pasinaudojant tikromis inovacijomis… Tiesa, jos pasitaiko itin retai, tad, čia kaip laimėjimas loterijoje.
Tačiau juk yra ir vėžį sukeliančių virusų…
Taip, žinoma, jie vadinami onkovirusais. Virusinę vėžio teoriją vienas iš pirmųjų [1957 m.] iškėlė Levas Zilberas. Plačiąją prasme, vėžys susidaro, kai tam tikri genai ima veikti netinkamoje vietoje ir netinkamu metu, dėl ko vėžinė ląstelė praranda gebėjimą gebėjimą taikiai gyventi su kitomis organizmo ląstelėmis, ima įsivaizduoti, kad ji pati svarbiausia, ir, spjovusi į viską, ima daugintis. Taip atsiranda auglys. Dažnai genai suaktyvėja dėl to, kad šalia jų įsitaiso viruso DNR, arba todėl, kad virusas į ląstelę atnešė kokį nors geną. Tačiau nepastebėta, kad mūsų koronavirusas taip elgtųsi.
Kaip manote, įvestos griežtos saviizoliacijos priemonės veiksmingos, jos veikia?
Jos negali neveikti. Jei laimingą loterijos bilietą ištraukęs ir įgijęs galimybę gyventi žmoguje virusas iš to žmogaus negali niekur išeiti, nes tas sėdi namie, infekcija numirs kartu su virusu ir/arba žmogumi. Virusai juk gyvena ne patys, o tik gavę galimybę daugintis kokiame nors sutvėrime.
Dabar daugelis iš tų sutvėrimų svarsto, ar pasodins šiais metais bulves…
Tai, be jokios abejonės, labai svarbu. Beje, yra virusų, kurie ekonomine prasme itin nemalonūs ir jie užkrečia būtent bulves. Y virusas žmonėms nebaisus, tačiau pažeidžia bulves. Tikėkimės, kad ir su mumis, ir su bulvių sodinimu viskas bus gerai.
