Какую роль в нашей эволюции играют вирусы, как они распространяются и какими интересными особенностями обладают? Рассказывает Алексей Дмитриевич Забережный — член-корреспондент РАН, директор Всероссийского научно-исследовательского и технологического Института биологической промышленности (ФГБНУ ВНИТИБП).
— В одном из своих выступлений вы говорили, что в мире до сих остается очень много неизученных вирусов и большинство из них приходят к нам из Мирового океана. Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.
— Вирусы — часть нашей биосферы. Они не приходят к нам откуда-то из космоса, а представляют собой часть нашей с вами биологической среды обитания и, между прочим, важнейший фактор эволюции. Существует несколько гипотез происхождения вирусов. Первая гласит, что это деградировавшие одноклеточные организмы, вторая — что это доклеточная форма существования, третья гипотеза заключается в том, что вирусы — это мигрирующие элементы генома, прошедшие долгий эволюционный путь. Мы в своей работе очень часто наблюдаем их в виде различных транспозонов. Мигрирующие элементы возникают из уже существующих геномов, они могут развить способность автономно реплицироваться вне хромосомы, а потом в течение миллионов лет они эволюционным путем приобретают свойства вирусов.
Что касается водной среды, то дело в том, что бóльшая часть биомассы на нашей планете сосредоточена в океане. Вирус же, как мы знаем, — это внутриклеточный паразит, то есть ему нужно развиваться внутри живой клетки. А где сосредоточено больше всего живых клеток на планете? Отнюдь не на суше, а именно в воде. Если взять одноклеточных обитателей Мирового океана и поместить на одну чашу весов, а на другую — всех остальных животных на планете Земля, то все равно перевесят подводные жители. В воде для вирусов больше возможностей. По одной из гипотез, вирусы выходят из морской среды и начинают циркулировать уже на суше. Наземная среда, как мы знаем, также полна жизни, и среди наземных живых существ могут образовываться и передаваться вирусы.
— Как вирусы впервые передались от животных к человеку?
— Трудно сказать наверняка, ведь вы спрашиваете о событиях, которые происходили в толще миллионов лет. Зато мы точно знаем, что вирусы мутируют, и это имеет прямое отношение к вашему вопросу. Каждый раз при размножении изначальный вирус перестает существовать, и вместо него в репродуктивный процесс вступают уже его «дети». В каждом из этих «потомков» содержатся мутации. Таким образом, когда вирус размножается, он уже никогда не будет прежним. Эти мутации при дальнейшем размножении также передаются «потомству», так что вирус — это постоянно изменяющаяся материя. Другое дело, что существует жесткий фактор естественного отбора. Если мутация не дает вирусу конкурентоспособных преимуществ при размножении, вирус с этой мутацией не может доминировать в природе. А вот вирус с мутацией, которая дает конкурентные преимущества, будет вытеснять другие, доминировать. Вирусы изменяются, и компьютерные программы, анализируя структуры этих вирусов, в том числе архивных, могут делать далеко идущие выводы о том, откуда взялся тот или иной вирус. Есть даже такое понятие — «эволюционные часы»: они могут сказать, сколько приблизительно лет назад один вирус разошелся с другим.
Из презентации А.Д. Забережного.
— Одна вирусная частица может давать 20 тыс. единиц потомства. Известны ли механизмы такого стремительного размножения?
— Вирусы со столь высокой способностью к размножению были открыты совсем недавно: примерно десять лет назад. Они размножаются внутри одноклеточных организмов в водной среде. Дело в том, что когда вирус выходит из клетки, когда клетка выпускает его из себя, он должен заразить следующую клетку. Если это происходит в плотных тканях, то такому вирусу нет необходимости давать много потомства, ведь получившийся новый вирус быстро и легко находит себе клетку, которую он сможет заразить. А если же мы говорим об одноклеточных организмах где-нибудь в пруду, то это значит, что вирус, вышедший из одной клетки, видит перед собой только воду, и для того чтобы заразить другую клетку, ему нужно с ней где-то встретиться. Поэтому эти вирусы и выработали способность размножаться в таких больших количествах.
— То есть нет никакой загадки?
— С одной стороны, нет ничего удивительного в столь высокой способности к размножению этих вирусов, но, с другой стороны, для нас это все равно остается некоторой загадкой: чтобы воспроизвести свою собственную структуру, вирусу нужно полностью переработать все вещество живой клетки, в которой он паразитирует. Но чтобы из одних органических структур сделать совсем другие структуры, необходимые для сборки вирусных частиц, вирус должен запустить огромное количество биохимических цепочек. Не совсем понятно, как можно взять набор исходных структур, которые есть в клетке, и из них произвести такое огромное количество новых компонентов, из которых построен вирус. Для того чтобы сделать такое огромное количество вирусов, нужно эту клетку просто полностью съесть, утилизировать. Я думаю, что изучение этих механизмов — интересная задача для биохимиков.
— По-прежнему ли актуален вопрос о том, живые организмы вирусы или нет?
— Мне кажется, что вопрос сегодня стоит ребром и обусловлено это тем, что люди научились синтезировать вирусы в лаборатории. А если человек синтезирует вирус, то он должен решить для себя, живой вирус или нет. Если этот вирус живой и ты его синтезируешь, то ты берешь на себя функции Создателя: ты, по сути, создаешь живое существо. Не каждый человек готов принять этот факт. Но пока мы не считаем вирусы живыми. Мы не говорим, например, что они растут. Вместо этого мы говорим, что вирус активный, что он инфекционный, что он реплицируется, то есть размножается.
— Но разве размножение не есть признак жизни?
— Это, конечно, признак жизни, но размножение должно происходить в неживой природе. Вирус же, в свою очередь, не может размножаться в пруду или в бульоне. Он может размножаться только внутри клетки, и для того чтобы размножаться, ему нужно использовать клеточные механизмы, а также вещества, которые создает клетка. Поэтому вирус скорее выступает каким-то нежеланным органом этой клетки, который пришел к ней извне и заставил ее подчиняться своей программе. Сказать, что вирус — это живой организм, мы никак не можем, потому что вирус не может жить вне другого живого организма, такого как живая клетка.
— Каково влияние ветеринарной вирусологии на медицинскую и наоборот?
— Вирусология — это одна наука, независимо от того, о чем идет речь: о растениях, животных или людях. Ветеринарная и медицинская вирусология имеют общие фундаментальные принципы, и вирусологи работают все вместе. Конечно, сам объект наших исследований, то есть вирусы, очень сильно различаются. Например, вирус, у которого кодирующий геном, и тот, у которого геном некодирующий, различаются настолько сильно по своей «философии», что вирусологи, которые ими занимаются, даже не общаются между собой, не пересекаются на конференциях и т.д. Это то же самое, что зоологи, один из которых изучает слонов, а другой — воробьев. Причем вирусы с кодирующим и некодирующим геномом различаются гораздо сильнее, чем слон и воробей. У слона и воробья вы как минимум можете найти схожие гены, а у этих вирусов все совершенно разное. Вирусам, у которых кодирующий геном, мало что нужно для размножения: этот геном самодостаточен, он служит чертежом всей вирусной структуры. А вот вирус, который несет в себе некодирующий геном, должен внутри клетки его превратить в кодирующий: у него есть большая задача, которой нет у другого класса вирусов. Очень редко бывает, чтобы человек, посвятивший половину жизни изучению одних вирусов, вдруг переключился на совершенно другие. Был как-то случай у моих знакомых. Они поженились. Он занимался так называемыми отрицательно-цепочечными РНК-вирусами, то есть вирусами с некодирующим геномом, а она — с кодирующим. Долго они не прожили: развелись.
— Даже такое бывает.
— Ну а как иначе, если они занимаются совершенно разными объектами? В целом больше всего точек соприкосновения медицинские и ветеринарные вирусологи находят в области антропозоонозов — болезней, у которых один возбудитель для человека и животных (например, бешенство), а также при изучении близкородственных вирусов, которые, несмотря на то что имеют разных хозяев у человека и в животном мире, представляют собой братьев-близнецов. К ним, например, относятся возбудители кори у человека и чумы у плотоядных животных (чумка собак). Здесь у вирусологов не существует разделения на медиков и ветеринаров.
Алексей Дмитриевич Забережный. Директор ФГБНУ ВНИТИБП, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор. Фото: Андрей Луфт / Научная Россия
— Эволюция нашей биосферы невозможна без эволюции вирусов?
— Это совершенно точно. Дело в том, что вирусы находятся в самом низу трофической пирамиды, они регулируют численность организмов на Земле. Если на нашей планете слишком интенсивно размножаются какие-то животные, растения или одноклеточные организмы, то вирус начинает более активно действовать и регулировать их численность. Если бы среди одноклеточных организмов не было вирусов, то у нас бы все заплесневело и превратилось в подобие киселя.
— Вы имеете в виду Мировой океан?
— Да, наш океан, где, как мы уже говорили, вирусы циркулируют очень активно. Сдерживая рост биологической массы одноклеточных организмов, они становятся одними из мощнейших регуляторов пищевой пирамиды. Примечательно, что существуют даже вирофаги — вирусы, которые циркулируют внутри других вирусов. Это совсем недавнее открытие — так называемый мавирус, у которого, кстати, есть транспозон, присутствующий и в организме каждого из нас. Существует связь между низшим уровнем живой природы, вирусом, и высшем уровнем — человеком: один общий генетический элемент. То есть эволюционная связь между вирусами и человеком весьма очевидна. Эволюция складывается из огромного количества вещей. Мы постоянно размножаемся, копируя при этом свой генетический материал, но природой заложено так, что он не копируется точно. Если бы он копировался точно, то мы бы все рождались одинаковыми, но дело обстоит иначе: он копируется неточно, особенно у вирусов. У каждого вируса в зависимости от его «идеологии», «философии», истории разная настройка точности копирования при репликации. Некоторые вирусы копируют себя очень неточно, небрежно. К таким относятся, например, вирус репродуктивного и респираторного синдрома свиней, вирус гриппа и многие другие. Но есть и такие вирусы, которые копируют себя довольно точно. Человек, в свою очередь, тоже копирует себя не точно, и поэтому мы имеем различные патологии, мутации и т.д. Вот так и идет своим ходом наша эволюция. Она происходит главным образом благодаря тому, что в наших механизмах копирования генетического материал изначально заложена небрежность.
— Расскажите напоследок о работе вашего института.
— Я возглавляю ВНИТИБП не так давно, с конца 2020 г. Наш институт — очень заслуженный, он занимается прикладной биотехнологией, разрабатывает процессы производства биологических препаратов, а затем масштабирует их. Довольно много процессов и технологий, которые здесь разработаны (например, производство вакцин), были переданы на соседний с нами Щелковский биокомбинат. Сегодня эти технологии успешно развиваются и приносят пользу нашей стране. Мы изучаем антимикробную резистентность, занимаемся разработкой диагностических тест-систем, разными кормовыми добавками и т.д. У нас много самых разных интересных научных программ. Есть, например, лаборатория проверки окружающей среды при помощи живых организмов. В будущем планируем развивать вирусологию. Так что впереди еще много работы.
