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Sind Viren Am Leben?
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Video: Sind Viren Am Leben?

Video: Was sind Viren? | Mikrobiologie Direkt! mit Dr. Jiri Snaidr | Folge 1 2022, Dezember
Anonim

Obwohl Viren unser Konzept von "Leben" in Frage stellen, sind sie wichtige Mitglieder des Lebensnetzes.

Sind Viren am Leben?
Sind Viren am Leben?

Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde ursprünglich in der Dezember 2004-Ausgabe von Scientific American veröffentlicht.

In einer Folge der klassischen Fernsehkomödie The Honeymooners aus den 1950er Jahren erklärt der Brooklyn-Busfahrer Ralph Kramden seiner Frau Alice laut: „Sie wissen, dass ich weiß, wie leicht Sie den Virus bekommen.“Vor einem halben Jahrhundert hatten sogar normale Leute wie die Kramdens einige Kenntnisse über Viren - als mikroskopisch kleine Krankheitserreger. Es ist jedoch fast sicher, dass sie nicht genau wussten, was ein Virus war. Sie waren und sind nicht allein.

Seit etwa 100 Jahren hat die Wissenschaftsgemeinschaft wiederholt ihre kollektive Meinung über Viren geändert. Zuerst als Gifte, dann als Lebensformen, dann als biologische Chemikalien gesehen, werden Viren heutzutage als Grauzonen zwischen lebend und nicht lebendig angesehen: Sie können sich nicht selbst replizieren, sondern können dies in wirklich lebenden Zellen tun und können auch die Verhalten ihrer Gastgeber zutiefst. Die Einstufung von Viren als nicht lebend während eines Großteils der modernen Ära der biologischen Wissenschaft hatte eine unbeabsichtigte Konsequenz: Sie hat die meisten Forscher dazu veranlasst, Viren bei der Untersuchung der Evolution zu ignorieren. Schließlich beginnen Wissenschaftler jedoch, Viren als grundlegende Akteure in der Geschichte des Lebens zu schätzen.

Zu Bedingungen kommen

Es ist leicht zu erkennen, warum es schwierig war, Viren in eine Schublade zu stecken. Sie scheinen mit jeder Linse zu variieren, die angewendet wird, um sie zu untersuchen. Das anfängliche Interesse an Viren ergab sich aus ihrer Assoziation mit Krankheiten - das Wort „Virus“hat seine Wurzeln im lateinischen Begriff für „Gift“. Im späten 19. Jahrhundert stellten Forscher fest, dass bestimmte Krankheiten, einschließlich Tollwut und Maul- und Klauenseuche, durch Partikel verursacht wurden, die sich wie Bakterien zu verhalten schienen, aber viel kleiner waren. Da sie selbst eindeutig biologisch waren und mit offensichtlichen biologischen Auswirkungen von einem Opfer auf ein anderes übertragen werden konnten, galten Viren als die einfachste aller lebenden, gentragenden Lebensformen.

Ihre Herabstufung zu inerten Chemikalien erfolgte nach 1935, als Wendell M. Stanley und seine Kollegen an der heutigen Rockefeller University in New York City zum ersten Mal ein Virus-Tabak-Mosaik-Virus kristallisierten. Sie sahen, dass es aus einem Paket komplexer Biochemikalien bestand. Es fehlten jedoch wesentliche Systeme, die für die Stoffwechselfunktionen, die biochemische Aktivität des Lebens, notwendig waren. Für diese Arbeit erhielt Stanley 1946 den Nobelpreis für Chemie, nicht für Physiologie oder Medizin.

Weitere Untersuchungen von Stanley und anderen haben ergeben, dass ein Virus aus Nukleinsäuren (DNA oder RNA) besteht, die in einer Proteinhülle eingeschlossen sind, die auch an der Infektion beteiligte virale Proteine ​​schützen kann. Nach dieser Beschreibung scheint ein Virus eher ein Chemie-Set als ein Organismus zu sein. Wenn ein Virus jedoch in eine Zelle eindringt (nach der Infektion als Wirt bezeichnet), ist es alles andere als inaktiv. Es legt seine Hülle ab, entblößt seine Gene und induziert die zelleigene Replikationsmaschinerie, um die DNA oder RNA des Eindringlings zu reproduzieren und mehr virales Protein gemäß den Anweisungen in der viralen Nukleinsäure herzustellen. Die neu erzeugten viralen Bits sammeln sich an und es entsteht voilà mehr Virus, das auch andere Zellen infizieren kann.

Diese Verhaltensweisen haben viele dazu veranlasst, Viren als an der Grenze zwischen Chemie und Leben existierend zu betrachten. Poetischer gesagt haben die Virologen Marc H. V. van Regenmortel von der Universität Straßburg in Frankreich und Brian W. J. Mahy von den Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten kürzlich gesagt, dass Viren aufgrund ihrer Abhängigkeit von Wirtszellen „eine Art geliehenes Leben“führen. Interessanterweise nutzten Biologen, obwohl sie lange Zeit die Ansicht befürworteten, dass Viren nur Kisten mit Chemikalien seien, die virale Aktivität in Wirtszellen, um zu bestimmen, wie Nukleinsäuren für Proteine ​​kodieren: Tatsächlich beruht die moderne Molekularbiologie auf einer Grundlage von Informationen, die durch Viren gewonnen wurden.

Molekularbiologen kristallisierten die meisten wesentlichen Bestandteile von Zellen heraus und sind es heute gewohnt, über zelluläre Bestandteile - beispielsweise Ribosomen, Mitochondrien, Membranen, DNA und Proteine ​​- als chemische Maschinerie oder als Material nachzudenken, das die Maschinerie verwendet oder produziert. Diese Exposition gegenüber mehreren komplexen chemischen Strukturen, die die Lebensprozesse ausführen, ist wahrscheinlich ein Grund dafür, dass die meisten Molekularbiologen nicht viel Zeit damit verbringen, sich Gedanken darüber zu machen, ob Viren am Leben sind. Für sie scheint diese Übung gleichbedeutend damit zu sein, darüber nachzudenken, ob diese einzelnen subzellulären Bestandteile für sich alleine leben. Diese kurzsichtige Ansicht ermöglicht es ihnen, nur zu sehen, wie Viren Zellen kooptieren oder Krankheiten verursachen. Die umfassendere Frage nach viralen Beiträgen zur Geschichte des Lebens auf der Erde, auf die ich gleich eingehen werde, bleibt größtenteils unbeantwortet und sogar unbeantwortet.

Sein oder nicht sein

Die scheinbar einfache Frage, ob Viren leben oder nicht, die meine Schüler oft stellen, hat in all den Jahren wahrscheinlich eine einfache Antwort gefunden, weil sie ein grundlegendes Problem aufwirft: Was genau definiert „Leben“? Eine genaue wissenschaftliche Definition des Lebens ist schwer fassbar, aber die meisten Beobachter würden zustimmen, dass das Leben neben der Fähigkeit zur Replikation auch bestimmte Eigenschaften umfasst. Zum Beispiel befindet sich ein Lebewesen in einem Zustand, der durch Geburt und Tod begrenzt ist. Es wird auch angenommen, dass lebende Organismen ein gewisses Maß an biochemischer Autonomie erfordern und die Stoffwechselaktivitäten fortsetzen, die die Moleküle und Energie produzieren, die zur Erhaltung des Organismus erforderlich sind. Dieses Maß an Autonomie ist für die meisten Definitionen von wesentlicher Bedeutung.

Viren parasitieren jedoch im Wesentlichen alle biomolekularen Aspekte des Lebens. Das heißt, sie hängen von der Wirtszelle für die Rohstoffe und die Energie ab, die für die Nukleinsäuresynthese, Proteinsynthese, -verarbeitung und -transport sowie für alle anderen biochemischen Aktivitäten erforderlich sind, die es dem Virus ermöglichen, sich zu vermehren und zu verbreiten. Man könnte dann den Schluss ziehen, dass Viren, obwohl diese Prozesse unter virale Leitung geraten, einfach nicht lebende Parasiten lebender Stoffwechselsysteme sind. Es kann jedoch ein Spektrum zwischen dem, was sicherlich lebt und dem, was nicht, existieren.

Ein Stein lebt nicht. Ein metabolisch aktiver Sack, der kein genetisches Material und kein Vermehrungspotential aufweist, lebt ebenfalls nicht. Ein Bakterium lebt jedoch. Obwohl es sich um eine einzelne Zelle handelt, kann sie Energie und die Moleküle erzeugen, die sie benötigen, um sich selbst zu erhalten, und sie kann sich reproduzieren. Aber was ist mit einem Samen? Ein Samen kann nicht als lebendig betrachtet werden. Dennoch hat es ein Lebenspotential und kann zerstört werden. In dieser Hinsicht ähneln Viren Samen mehr als lebenden Zellen. Sie haben ein gewisses Potenzial, das ausgelöscht werden kann, aber sie erreichen nicht den autonomeren Lebenszustand.

Eine andere Art, über das Leben nachzudenken, ist die Entstehung einer Sammlung bestimmter nicht lebender Dinge. Sowohl das Leben als auch das Bewusstsein sind Beispiele für entstehende komplexe Systeme. Sie erfordern jeweils ein kritisches Maß an Komplexität oder Interaktion, um ihre jeweiligen Zustände zu erreichen. Ein Neuron an sich oder sogar in einem Netzwerk von Nerven ist nicht bewusst - die Komplexität des gesamten Gehirns ist erforderlich. Doch selbst ein intaktes menschliches Gehirn kann biologisch lebendig, aber unbewusst oder „hirntot“sein. In ähnlicher Weise leben weder zelluläre noch virale einzelne Gene oder Proteine ​​für sich. Die entkernte Zelle ähnelt dem Zustand des Braindeads, da ihr eine vollständige kritische Komplexität fehlt. Auch ein Virus erreicht keine kritische Komplexität. Das Leben selbst ist also ein aufstrebender, komplexer Zustand, aber es besteht aus denselben grundlegenden physischen Bausteinen, die ein Virus ausmachen. Aus dieser Perspektive betrachtet, können Viren, obwohl sie nicht vollständig leben, als mehr als träge Materie angesehen werden: Sie stehen kurz vor dem Leben.

Tatsächlich kündigten französische Forscher im Oktober Ergebnisse an, die erneut veranschaulichen, wie nahe einige Viren kommen könnten. Didier Raoult und seine Kollegen von der Universität des Mittelmeers in Marseille gaben bekannt, dass sie das Genom des größten bekannten Virus, Mimivirus, sequenziert haben, das 1992 entdeckt wurde. Das Virus, ungefähr so ​​groß wie ein kleines Bakterium, infiziert Amöben. Die Sequenzanalyse des Virus ergab zahlreiche Gene, von denen bisher angenommen wurde, dass sie nur in zellulären Organismen existieren. Einige dieser Gene sind an der Herstellung der von der viralen DNA kodierten Proteine ​​beteiligt und können es Mimivirus erleichtern, Replikationssysteme für Wirtszellen zu kooptieren. Wie das Forscherteam in seinem Bericht in der Zeitschrift Science feststellte, stellt die enorme Komplexität des genetischen Komplements des Mimivirus „die etablierte Grenze zwischen Viren und parasitären Zellorganismen in Frage“.

Auswirkungen auf die Evolution

Debatten darüber, ob Viren als lebend bezeichnet werden sollen, führen natürlich zu einer anderen Frage: Ist das Nachdenken über den Status von Viren als lebend oder nicht lebendig mehr als eine philosophische Übung, die Grundlage einer lebhaften und hitzigen rhetorischen Debatte, aber mit wenig wirklicher Konsequenz? Ich denke, das Thema ist wichtig, denn wie Wissenschaftler diese Frage betrachten, beeinflusst ihr Denken über die Mechanismen der Evolution.

Viren haben ihre eigene, alte Evolutionsgeschichte, die bis zum Ursprung des zellulären Lebens zurückreicht. Zum Beispiel sind einige Virenreparaturenzyme, die beschädigte DNA herausschneiden und resynthetisieren, Sauerstoffradikalschäden reparieren usw., für bestimmte Viren einzigartig und existieren wahrscheinlich seit Milliarden von Jahren nahezu unverändert.

Dennoch sind die meisten Evolutionsbiologen der Ansicht, dass Viren, die nicht am Leben sind, keine ernsthafte Überlegung wert sind, wenn sie versuchen, die Evolution zu verstehen. Sie betrachten Viren auch als aus Wirtsgenen stammend, die dem Wirt irgendwie entkommen sind und eine Proteinhülle erhalten haben. Aus dieser Sicht sind Viren flüchtige Wirtsgene, die zu Parasiten degeneriert sind. Und wenn Viren auf diese Weise aus dem Netz des Lebens entfernt werden, werden wichtige Beiträge, die sie möglicherweise zur Entstehung von Arten und zur Erhaltung des Lebens geleistet haben, möglicherweise nicht erkannt. (Tatsächlich sind nur vier der 1 205 Seiten des 2002 erschienenen Bandes The Encyclopedia of Evolution Viren gewidmet.)

Natürlich leugnen Evolutionsbiologen nicht, dass Viren eine Rolle in der Evolution gespielt haben. Indem diese Forscher Viren als unbelebt betrachten, ordnen sie sie derselben Kategorie von Einflüssen zu, wie beispielsweise dem Klimawandel. Solche äußeren Einflüsse wählen unter Individuen mit unterschiedlichen, genetisch kontrollierten Merkmalen aus; Diejenigen Menschen, die angesichts dieser Herausforderungen am besten überleben und gedeihen können, vermehren sich am erfolgreichsten und verbreiten so ihre Gene an zukünftige Generationen.

Viren tauschen jedoch direkt genetische Informationen mit lebenden Organismen aus, dh innerhalb des Lebensnetzes. Eine mögliche Überraschung für die meisten Ärzte und vielleicht auch für die meisten Evolutionsbiologen ist, dass die meisten bekannten Viren persistent und harmlos sind und nicht pathogen. Sie nehmen ihren Wohnsitz in Zellen ein, wo sie möglicherweise für längere Zeit ruhen oder den Replikationsapparat der Zellen nutzen, um sich langsam und gleichmäßig zu reproduzieren. Diese Viren haben viele clevere Methoden entwickelt, um die Erkennung durch das Immunsystem des Wirts zu vermeiden. Im Wesentlichen kann jeder Schritt im Immunprozess durch verschiedene Gene in dem einen oder anderen Virus verändert oder kontrolliert werden.

Darüber hinaus kann ein Virusgenom (das gesamte Komplement von DNA oder RNA) seinen Wirt dauerhaft besiedeln, indem es virale Gene zu Wirtslinien hinzufügt und letztendlich zu einem kritischen Bestandteil des Genoms der Wirtsspezies wird. Viren haben daher sicherlich Auswirkungen, die schneller und direkter sind als die von externen Kräften, die einfach zwischen langsamer erzeugten internen genetischen Variationen auswählen. Die riesige Population von Viren, kombiniert mit ihren schnellen Replikations- und Mutationsraten, macht sie zur weltweit führenden Quelle für genetische Innovation: Sie „erfinden“ständig neue Gene. Und einzigartige Gene viralen Ursprungs können reisen, ihren Weg in andere Organismen finden und zum evolutionären Wandel beitragen.

Vom International Human Genome Sequencing Consortium veröffentlichte Daten zeigen, dass in gut untersuchten Organismen wie der Hefe Saccharomyces cerevisiae, der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans zwischen 113 und 223 Gene fehlen, die in Bakterien und im menschlichen Genom vorhanden sind -das liegt zwischen diesen beiden evolutionären Extremen. Einige Forscher glaubten, dass diese Organismen, die nach Bakterien, aber vor Wirbeltieren entstanden sind, irgendwann in ihrer Evolutionsgeschichte einfach die fraglichen Gene verloren haben. Andere schlugen vor, dass diese Gene durch eindringende Bakterien direkt auf die menschliche Linie übertragen worden waren.

Mein Kollege Victor DeFilippis vom Vaccine and Gene Therapy Institute der Oregon Health and Science University und ich schlugen eine dritte Alternative vor: Viren können Gene hervorbringen und dann zwei verschiedene Abstammungslinien besiedeln - zum Beispiel Bakterien und Wirbeltiere. Ein Gen, das der Menschheit offenbar von Bakterien verliehen wurde, wurde möglicherweise von einem Virus an beide übertragen.

Zusammen mit anderen Forschern behaupten Philip Bell von der Macquarie University in Sydney, Australien, und ich, dass der Zellkern selbst viralen Ursprungs ist. Das Aufkommen des Kerns, der Eukaryoten (Organismen, deren Zellen einen echten Kern enthalten), einschließlich des Menschen, von Prokaryoten wie Bakterien unterscheidet, kann nicht allein durch die allmähliche Anpassung prokaryotischer Zellen zufriedenstellend erklärt werden, bis sie eukaryotisch werden. Vielmehr könnte sich der Kern aus einem persistierenden großen DNA-Virus entwickelt haben, das in Prokaryoten ein dauerhaftes Zuhause gefunden hat. Eine gewisse Unterstützung für diese Idee kommt von Sequenzdaten, die zeigen, dass das Gen für eine DNA-Polymerase (ein DNA-kopierendes Enzym) im Virus namens T4, das Bakterien infiziert, eng mit anderen DNA-Polymerase-Genen sowohl in Eukaryoten als auch in den Viren, die sie infizieren, verwandt ist. Patrick Forterre von der Universität Paris-Sud hat auch Enzyme analysiert, die für die DNA-Replikation verantwortlich sind, und ist zu dem Schluss gekommen, dass die Gene für solche Enzyme in Eukaryoten wahrscheinlich viralen Ursprungs sind.

Von einzelligen Organismen bis hin zu menschlichen Populationen beeinflussen Viren alles Leben auf der Erde und bestimmen oft, was überleben wird. Es entwickeln sich aber auch Viren. Neue Viren wie das AIDS-verursachende HIV-1 sind möglicherweise die einzigen biologischen Einheiten, deren Entstehung Forscher tatsächlich beobachten können, und liefern ein Echtzeitbeispiel für die Evolution in Aktion.

Viren sind wichtig für das Leben. Sie sind die sich ständig verändernde Grenze zwischen den Welten der Biologie und der Biochemie. Während wir weiterhin die Genome von immer mehr Organismen entschlüsseln, sollten die Beiträge dieses dynamischen und alten Genpools offensichtlich werden. Der Nobelpreisträger Salvador Luria dachte über den viralen Einfluss auf die Evolution im Jahr 1959 nach Haben Sie im Laufe der Evolution die erfolgreichen genetischen Muster geschaffen, die allen lebenden Zellen zugrunde liegen? “Unabhängig davon, ob wir Viren als lebendig betrachten oder nicht, ist es an der Zeit, sie in ihrem natürlichen Kontext innerhalb des Lebensnetzes anzuerkennen und zu untersuchen.

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