Wstępna charakterystyka bakteriofaga Serratia φOS10/Wstęp/Informacje ogólne o wirusach

1.1 Informacje ogólne o wirusach

 Wirusy to jednostki biologiczne reprodukujące się w komórkach organizmów żywych. Ich istnienie jest nierozłącznie związane z infekowanym organizmem (gospodarzem). Przyjmuje się, że każdy organizm może ulec infekcji wirusowej [Baj, 2018]. Są one obligatoryjnymi pasożytami aparatu translacyjnego – nie posiadają własnych rybosomów, więc w produkcji ich białek zawsze uczestniczą rybosomy gospodarza [Mohr i in., 2007]. W budowie wszystkich wirusów wyróżnić można cząsteczkę genomową w postaci jednoniciowego lub dwuniciowego kwasu deoksyrybonukleinowego (ang. deoxyribonucleic acid, DNA) kolistego lub liniowego lub kwasu rybonukleinowego (ang. ribonucleic acid, RNA) jednoniciowego, dwuniciowego, albo dwuniciowego segmentowanego (Rycina 1). U większości wirusów genom osłonięty jest białkowym kapsydem (niektóre wirusy grzybowe utraciły geny kodujące białka kapsydu), zaś niektóre z wirusów posiadających kapsyd zawierają też osłonkę lipidową. Kapsydy wirusów mogą mieć różną strukturę, jej najpowszechniejszymi formami są: struktura ikozaedralna, helikalna i złożona (Ryciny 2 i 3).

Rycina 1. Genomy wirusów DNA i RNA [Collier & Oxford, 2001].

Rycina 2. Budowa cząstki wirusowej [na podstawie: Baj, 2018].

Rycina 3. Wirus o budowie helikalnej [viralzone.expasy.org, 2019, zmienione].

 Nie ulega wątpliwości, iż wirusy w znaczący sposób wpływają na ewolucję życia na Ziemi. Dzieje się tak, gdyż między wirusami a ich gospodarzami ma miejsce nieustanny wyścig zbrojeń oraz ze względu na fakt, że wirusy są jednym z czynników horyzontalnego transferu genów, co wyjaśniono w dalszych rozdziałach pracy. Wspomniany powyżej wyścig zbrojeń jest zjawiskiem polegającym na ciągłych zmianach zachodzących zarówno u wirusa, jak i u infekowanego przez niego gospodarza: presja selekcyjna powoduje osiąganie większego sukcesu reprodukcyjnego przez gospodarza z takimi mutacjami, za sprawą których jego nowy fenotyp utrudnia lub wręcz uniemożliwia przeprowadzenie pełnego cyklu infekcyjnego przez infekujące go wirusy. W odpowiedzi na zmiany fenotypu gospodarza (wynikające ze zmian w jego genotypie), presja selekcyjna promuje wirusy z takimi mutacjami, które umożliwiają przełamanie bariery w postaci nowo uzyskanej cechy u komórek gospodarza. Proces ten zachodzi jednocześnie i u gospodarza, i u wirusa, powodując ich wzajemną koewolucję [Stern & Sorek, 2011].
 Odkrycie wirusów miało miejsce w 1892 roku. Dokonał go rosyjski naukowiec Dmitri Ivanovski, który zauważył że znajdujący się w wodzie czynnik wywołujący zmiany chorobowe u roślin przenika przez porcelanowe filtry (o rozmiarach porów zatrzymujących bakterie) [Wilson, 2014]. Podobne badanie wykonał Martinus Beijerinck, który w trakcie badań choroby mozaiki tytoniu w 1889 zauważył ścisły związek między kontaktem zdrowych roślin z ekstraktem komórkowym roślin wykazujących zmiany chorobowe, a pojawieniem się u nich objawów chorobowych. Ekstrakt komórkowy zachowywał w sobie czynnik wirulentny nawet po przesączeniu go przez filtry Chamberlanda, (za pomocą których z cieczy usuwano komórki bakteryjne). Czynnik ten określił mianem ”virus“ (łac. jad, trucizna) [Creager, 1999]. Od tego czasu dynamicznie prowadzono kolejne badania nad wirusami. W roku 1898 badacze Loffler oraz Frosch dokonali pierwszego odkrycia wirusa zwierzęcego, wywołującego pryszczycę (ang. foot-and-mouth disease) [Loeffler & Frosch, 1898] oraz opracowali koncepcję wirusa jako czynnika chorobotwórczego, wedle której wirus jest nie tylko małą cząstką, ale wymaga wejścia do komórki gospodarza, by w niej się namnożyć (samo umieszczenie wirusa w pożywce nie wystarczy do namnożenia go) [Loeffler & Frosch, 1898]. W ciągu 2 lat od tego wydarzenia nastąpiło pierwsze odkrycie wirusa ludzkiego, którym był wirus żółtej febry. Odkrył go w roku 1901 amerykański chirurg Walter Reed [Reed i in., 1901]. Kolejnym odkrytym wirusem ludzkim był wirus ospy prawdziwej (ang. variola virus), zobrazowany w 1906 roku przez Enrique Paschen’a poprzez barwienie fuksyną [Fenner i in., 1988; Paschen, 1906]. Dekadę później odkryto wirusy bakteryjne, czego dokonali niezależnie w roku 1915 Fryderyk Twort – brytyjski lekarz i naukowiec badający zjawisko lizy komórek Vibrio cholerae po kontakcie z próbkami wód Gangesu [Twort, 1915] oraz w roku 1917 Feliks d’Herrele – francuski mikrobiolog i pomysłodawca terapii fagowej, badający czynniki zapobiegające dyzenterii [d’Herelle, 1917; Vandamme i in., 2019]. Termin „bakteriofag” zaproponowany przez Feliksa d’Herelle pochodzi od dwóch słów: łacińskiego „bacteria” oraz greckiego „φαγεῖν” (phagein) oznaczającego „pożerać”. Nazwa ta wynika z widocznych gołym okiem skutków infekcji wirusowej, czyli przezroczystych przejaśnień na murawce bakterii zwanych „łysinkami” (fr. plaques), wyglądających jakby w tych miejscach pewien drobnoustrój był zdolny do spożywania komórek bakteryjnych [d’Herelle, 1917].

1.1.1 Wirusy infekujące bakterie – bakteriofagi

 Bakteriofagi są najliczniejszymi jednostkami biologicznymi na Ziemi. Szacuje się, że ich całkowita liczebność sięga wartości 10³¹ [Suttle, 2005; Wommack i in., 2000]. Szacuje się też, że średnio w każdym mililitrze wody oceanicznej znajduje się od 10⁷ do 10⁸ cząstek wirusowych, zaś w glebie ich liczebność wynosi w przybliżeniu 2,7 * 10⁸ cząstek/g [Fortier & Sekulovic, 2013; Srinivasian i in., 2008; Weinbauer, 2004]. Liczby te są wartościami uśrednionymi. Faktyczne zagęszczenie populacji bakteriofagów w danej niszy uwarunkowane jest wieloma czynnikami środowiskowymi w zestawieniu z zakresem tolerancji danego wirusa na te czynniki, np. temperatura otoczenia versus zakres tolerancji temperaturowej bakteriofaga [Fortier & Sekulovic, 2013; Weinbauer, 2004]. Bakteriofagi pośrednio, ale w znaczący sposób wpływają na obieg pierwiastków w przyrodzie: liza komórek bakteryjnych pod koniec cyklu litycznego bakteriofaga skutkuje uwolnieniem cytoplazmy bakterii do środowiska, a wraz z nią wszystkich zawartych w niej substancji. Skala tego zjawiska, wynikająca z liczby bakteriofagów na świecie, oraz częstości infekcji (w ciągu doby dochodzi do około 10²⁹ infekcji bakteriofagami), przekłada się na istotną rolę bakteriofagów w przepływie energii i wszystkich pierwiastków w przyrodzie [Abedon, 2001]. Ponadto bakteriofagi mają też wpływ na inne procesy biologiczne, do których zaliczamy: utrzymywanie bioróżnorodności i równowagi ilościowej między populacjami bakteryjnymi [Fortuna i in., 2019] oraz horyzontalny transfer genów [Davidson, 2018].

1.1.2 Klasyfikacja i taksonomia wirusów

 Przez klasyfikację wirusów rozumie się ich przyporządkowanie do właściwych taksonów. Instytucją koordynującą klasyfikację oraz nomenklaturę wirusów jest ustanowiony w roku 1966 Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów (ICTV, ang. International Comittee in Nomenclature of Viruses), który aktualizuje taksonomię wirusów w postaci raportów [https://talk.ictvonline.org]. Podstawowe kryteria klasyfikacji wirusów wymieniono w Tabeli 1.

Tabela 1. Podstawowe kryteria klasyfikacji ICTV [na podstawie: Baron, 1996; Guttman, 2001; Zhang i in., 2019].

Cecha	Warianty
rodzaj kwasu nukleinowego	DNA
	RNA
topologia cząsteczki kwasu nukleinowego	kolista – c (ang. circular)
	liniowa – l (ang. linear)
polarność genomu (tylko dla ssRNA)	(+) dodatnia – genomowy RNA może być wykorzystany jako mRNA do syntezy białek w procesie translacji
	(–) ujemna – genomowy RNA nie może służyć jako matryca w translacji, bo jest komplementarny do wirusowego mRNA
ilość segmentów w genomie	genom jednosegmentowy
	genom wielosegmentowy
symetria nukleokapsydu	ikozaedralna
	helikalna
	złożona
	pleomorficzna
	brak kapsydu
rozmiar wirionu i kapsydu
występowanie osłonki lipidowej	obecność osłonki
	brak osłonki

Kryteria wymienione w Tabeli 1 nie wyczerpują listy pozostałych cech, które brane są pod uwagę przy ustanawianiu nowych taksonów. Uwzględnia się również wiele innych cech dotyczących między innymi: właściwości fizykochemicznych wirionów, białek wirusowych, lipidów, węglowodanów, antygenów i tropizmu do tkanek [Frederik i in., 2012]. Z historycznego punktu widzenia klasyfikacja wirusów cechuje się dużym dynamizmem – kryteria klasyfikacji wielokrotnie się zmieniały na przestrzeni dekad i z początku uwzględniały jedynie: zakres gospodarzy, cykl replikacyjny i strukturę wirionów (gdyż tylko na to pozwalały ówczesne techniki badawcze). Dalsze uściślanie taksonomii stało się możliwe dzięki genomice (tj. analityki genomów), metagenomice (tj. analityki materiału genetycznego izolowanego z różnych nisz ekologicznych) i analizom porównawczym. Genomika istotnie poszerzyła możliwości klasyfikowania wirusów, gdyż pozwoliła na włączenie informacji dotyczących sekwencji ich materiału genetycznego. Dzięki analizom porównawczym stało się możliwe odkrywanie zależności filogenetycznych między poznanymi wirusami, czego nie udałoby się zrobić w oparciu o sam fenotyp [Edwards & Rohwer, 2005]. Wraz z rozwojem metagenomiki z powodzeniem zainicjowano również badania wirusów niedających się hodować klasycznymi metodami laboratoryjnymi, albo których gospodarze nie byli znani [Edwards & Rohwer, 2005]. Nazwy taksonomiczne wpisują się w ściśle określony schemat, ich końcówki gramatyczne (tzw. sufiksy) wskazują na rangę taksonomiczną danej grupy. Nowością w świecie nauki jest rozbudowanie taksonomii wirusów o jednostki wyższe niż rząd, tj.: klasy, podtypy i typy [ICTV, 2018a] oraz królestwa [ICTV, 2018b]. Ze względu na dużą różnorodność nie wszystkie wirusy są przyporządkowane do taksonów wyższego stopnia – nie wszystkie rodzaje są przyporządkowane do podrodziny albo wręcz rodziny; zaś nie wszystkie rodziny są przyporządkowane do określonego rzędu (analogicznie względem wyższych taksonów). Obecnie obowiązujący podział taksonomiczny bakteriofagów wyróżnia 14 rodzin, z czego tylko 5 rodzin jest przypisanych do rzędu (Caudovirales) – w tym dwie nowe rodziny: Ackermannviridae i Herelleviridae ustanowione przez ICTV w roku 2018 [ICTV, 2018b]. Rodziny Cystoviridae oraz Leviviridae, są przyporządkowane bezpośrednio do nowo ustanowionej rangi taksonomicznej realm (która jest odpowiednikiem królestwa albo domeny) Riboviria [talk.ictvonline.org/taxonomy, dostęp: 01.09.2019]. Zestawienie dotychczas wyłonionych grup taksonomicznych bakteriofagów zawarto w Tabeli 2; analiza zawartych w niej danych prowadzi do wniosku, iż: najpowszechniejszym typem genomu u bakteriofagów jest dsDNA, w drugiej kolejności ssDNA, a najrzadszym wariantem jest RNA.

Tabela 2. Wykaz rodzin bakteriofagów z wymienionymi cechami charakterystycznymi i przykładowymi przedstawicielami, uzupełniony o rodziny Ackermannviridae i Herelleviridae. (L) to genom liniowy, (C) to genom kolisty, (S) to genom segementowany. [na podstawie: Mc Grath S & van Sinderen D, 2007; Krupovic i in., 2011; Barylski i in., 2018; Kropinski i in., 2018; talk.ictvonline.org/taxonomy, dostęp: 01.09.2019].

Rząd	Rodziny	Typ genomu	Opis	Przedstawiciel
Caudovirales	Ackermannviridae	dsDNA, L	bezosłonkowe z długim, kurczliwym ogonkiem	φMAM1
	Herelleviridae	dsDNA, L	bezosłonkowe z długim ogonkiem	A9
	Myoviridae	dsDNA, L	bezosłonkowe z długim, kurczliwym ogonkiem	T4
	Siphoviridae	dsDNA, L	bezosłonkowe z długim, niekurczliwym ogonkiem	λ
	Podoviridae	dsDNA, L	bezosłonkowe z krótkim niekurczliwym ogonkiem	T7
niesklasyfikowane	Corticoviridae	dsDNA, C	bezosłonkowe kształt ikozaedralny	PM2
	Plasmaviridae	dsDNA, C	osłonkowe o kształcie pleomorficznym	L2
	Sphaerolipoviridae	dsDNA, C	bezosłonkowe kształt ikozaedralny pęcherzyk błonowy zamknięty w kapsydzie	Thermus virus P23-77
	Tectiviridae	dsDNA, L	bezosłonkowe o kształcie ikozaedralnym	PRD1
	Inoviridae	ssDNA, C	bezosłonkowe o filamentowym kształcie	M13
	Microviridae	ssDNA, C	bezosłonkowe o kształcie ikozaedralnym	ΦX174
	Cystoviridae	dsRNA, L, S	osłonkowe kształt sferyczny	φ6
	Leviviridae	(+)ssRNA, L	bezosłonkowe o kształcie ikozaedralnym	Qβ

Przypisy