Как малко болни тютюневи растения доведоха учените да разгадаят истината за вирусите С коронавирусът COVID-19, предизвикващ глобална пандемия, погледнете назад към учените, които измислиха вирусите и връзката им с болестта


Робърт Кох.© Фондация Нобел, Стокхолм

Вирусът на тютюневата мозайка, наблюдаван под 160 000 Ч увеличение (Public Domain)

От Тереза ​​Мачмер SMITHSONIANMAG.COM
24 МАРТ 2020 Г.

Когато през 1882 г. немският патолог Робърт Кох откри бактерията зад туберкулозата, той включи кратко ръководство за свързване на микроорганизмите със заболяванията, които причиняват. Това беше ветропад за теорията на зародишите, съвременното разбиране, че патогените могат да ни разболеят. Но това не разклати само областта на медицината: и ботаниците взеха под внимание.

Когато пристъп на мозаечна болест заплаши европейските тютюневи култури в средата на 1800-те години, растителните патолози започнаха да идентифицират основната му причина. От десетилетия само един напредничав ботаник Мартинус Бейеринк разбра, че източникът не е нито бактериална, нито гъбична инфекция, а нещо съвсем различно: вирус.

Днес знаем, че вирусите могат да бъдат намерени почти навсякъде във въздуха , океаните и почвата . Малък процент от тях са опасни патогени, които причиняват заболяване, като настоящият коронавирус, наречен SARS-CoV-2, предизвикващ световна пандемия. И все пак изучаването на вируси започна не в медицинската наука, а в ботаниката, изследването на растенията. Вирусите са толкова малки - и толкова странни - че биха били нужни десетилетия, за да може научният консенсус да се съгласи, че те изобщо съществуват.

Лабораторията по микробиология в Делфт, където Beijerinck работи от 1897 до 1921 г. (Wiki Commons / Jahoe)

Агенти на болестта

Идеята, че микроорганизмите могат да причинят болести по растенията, не беше съвсем нова дори в края на 19 век. През 1840-те години преподобният Майлс Беркли, също ботаник, идентифицира гъбата зад картофите на Ирландия, въпреки представата на клира, че дяволът е виновен.

През 1857 г. фермерите в Холандия съобщават за болест, заплашваща друга икономически жизненоважна култура: тютюн. Листата започват да се превръщат в петна тъмнозелено, жълто и сиво, което кара земеделските стопани да загубят до 80 процента от посевите в засегнатите ниви. Особено чувствителни са масивните полета с тютюн, които са били засаждани с една и съща култура многократно . След като болестта достигна до полето на фермера, тя бързо се разпространи.

"Много лесно е да се движите наоколо", казва растителният вирусолог Карън-Бет Шолтхоф от Тексаския университет A&M. "Ако сте в оранжерия или градината си и поливате с маркуч и маркучът докосне засегнато растение, можете да нанесете повреда на растение до него."

В Холандия растителният патолог Адолф Майер започва да изследва болестта през 1879 г. и я нарече „мозаечна болест на тютюна“. Той се опита да използва насоките на Кох, които призовават за поредица от зародишни изолации и повторни инфекции, за да открие причината за това. Но Майер изпадна в беда. Въпреки че показа, че сокът от болен тютюнев лист може да предаде болестта на здрав лист, той не може да произведе чиста култура на патогена и не може да забележи виновника под микроскоп.

"Средствата не са съществували, за да видите вирус", казва биологичен антрополог Сабрина Sholts , уредник на Националния музей по естествена история на Смитсъновия епидемия експонат. "Това беше точно тази невидима зараза."

Когато ботаникът Дмитри Ивановски изследва болестта на тютюневата мозайка в Крим в началото на 1887 г. , той предприема различен подход. Напрегна сока чрез фини филтри, направени от неглазиран порцелан, материал с пори, които бяха твърде малки, за да се промъкнат бактерии. Но когато Ивановски сложи филтрирания сок върху здравословно тютюнево листо, той стана петна жълто от болест. Ивановски едва можеше да повярва на данните си, които публикува през 1892 г. Той заключи, че болестта е причинена от токсин, който се побира през филтъра или че някои бактерии са се промъкнали през пукнатина.

Растение с тютюнева мозаечна болест, 1914 г. (USDA / Public Domain)

Dutch microbiologist Beijerinck independently conducted almost the same experiments as Ivanovski, but he came to a much different conclusion. The early pathologist added to the porcelain filter experiments with a second kind of filtration system that used a gelatin called agar to prove that no microorganisms survived the first filtration. Bacteria get stuck on top of the gelatin, but the mysterious mosaic-causing pathogen diffused through it.

Beijerinck also provided evidence that the disease agent relies on growing leaves to multiply. By re-filtering the pathogen from an infected leaf and using it to cause mosaic disease on another plant, he showed that the agent could spread without diluting its disease-causing power. He proved the pathogen was growing in the leaves, but strangely, it couldn’t reproduce without them.

Когато публикува своите открития през 1898 г., Бейеринк нарича инфекциозната, филтрирана субстанция contagium vivum fluidum - заразна, жива течност. Като стенограма той въвежда думата „вирус“ от латинския за течна отрова, за да се отнася конкретно към този нов вид патоген.

„Не мисля, че Ивановски наистина е разбрал резултатите му“, казва Шолтоф. "Бейеринк постави експериментите и се довери на видяното ... Начинът, по който днес използваме" вирус ", той беше първият, който ни въведе този термин в съвременния контекст и бих му дал заслуга за началото на вирусологията."

Прогресия на тютюневата мозаечна болест (Karen-Beth G. Scholthof)

Смела хипотеза

Въпреки че Бейеринк неправилно смяташе, че вирусите са течни (те са частици), резултатите му бяха близо до знака. И все пак идеята му не се залови. Предложението му за патоген без клетка противоречи на теорията на ранните зародиши и беше радикално за времето.

Ивановски продължи да търси бактериална причина за тютюневата мозаечна болест, твърдейки, че „целият проблем ще бъде решен без такава смела хипотеза “ като тази на Бейеринк. Междувременно изследователите се бориха с наличните доказателства. През 1898 г., същата година като работа Beijerinck беше публикувано, шап при говеда стана първият животински болестта, свързана с филтруваема агент или микроб достатъчно малък, за да минат през порцелан филтър. През 1901 г. американски изследователи, изучаващи жълта треска в Куба, стигат до заключението, че болестта, пренасяна от комари, е причинена от нещо достатъчно малко, за да бъде филтрирано също.

По онова време изследователите не смятали откритията им за вируси като тези на Бейеринк. Преобладаващата теория беше, че има просто бактерии, които могат да се поберат през филтъра. Статии от ранен преглед на невидими зарази понякога групират едва забележими бактерии с вирусите на Бейеринк.

„В първите дни имаше голямо объркване, защото не можахте да ги видите“, казва Scholthof. Въпросите дали тези мънички микроби са били малки бактерии, молекули, секретирани от бактерии, или нещо друго останали без отговор през 20-те години. „Някои хора вероятно ще кажат (въпросите продължават), докато не могат да бъдат видени с електронен микроскоп“, казва тя.

Предаващо електронно микроскопично изображение на изолат от първия случай на COVID-19 в САЩ, известен преди като 2019-nCoV. Сферичните вирусни частици, оцветени в синьо, съдържат напречни сечения през вирусния геном, разглеждани като черни точки. (CDC)

Моделен вирус

През 1929 г. биологът Франсис Холмс използва вируса на тютюневата мозайка, за да разработи метод, доказващ, че вирусите са отделни частици, смесени във филтрирания сок и че имат по-силен ефект при по-високи концентрации. През 1935 г. химикът Вендел М. Стенли създава кристализирана проба от вируса, която може да бъде визуализирана с рентгенови лъчи, спечелвайки му дял от Нобеловата награда за 1946 г. (Най-ясното рентгеново дифракционно изображение на вируса на тютюневата мозайка идва от Розалинд Франклин, през 1955 г. , след приноса й за откриването на двойната спирала на ДНК.) Първите ясни, директни снимки вирусът на тютюневата мозайка ще дойде чак през 1941 г. с изобретяването на мощни микроскопи за предаване на електрон, които разкриват тънката, лепкава форма на патогена.

Това беше повратен момент в научното разбиране на вирусите, защото визуалното доказателство разсее всяко съмнение за тяхното съществуване. Изображенията показаха, че вирусите са прости структури, направени от генетичен материал, обвит в плътна обвивка от протеинови молекули - далеч от кльощави клетъчни бактерии. Но Бейеринк не доживява да види теорията си утвърдена, тъй като той умира през 1931 година.

„По някакъв начин имахме късмет, че това е заболяване, открито при тютюна“, казва Шолтоф. „Това беше икономически проблем. Беше лесно да се работи и пречиства. Самият вирус само в него кодира пет гена. " Тъй като вирусът е обект на изследване толкова дълго, той е използван за разработване на фундаментални идеи във вирусологията. Тя остава инструмент в вирусологията на растенията и днес.

Работите на Майер, Ивановски и Бейеринк не са спрели разпространението на тютюневата мозайка през живота им; производството на тютюн спря изцяло в Холандия. Но тяхната новаторска работа върху тютюневата мозаечна вируса отвори вратата за век на изследвания, които разкриха разнообразна гама от вирусни структури и стратегии за оцеляване.

Докато вирусът на тютюневата мозайка е с пръчковидна форма и се състои само от гени и протеини, други, като коронавирусът COVID-19, са кръгли и обвити в мастна обвивка, което ги прави особено податливи на сапун, когато миете ръцете си . Напредъкът в разбирането за това как разпространението на вирусите позволи да се изкорени едрата шарка и изобретяването на няколко животоспасяващи ваксинации.

„Едва през миналия век се случиха много от тези невероятни постижения, които се случиха толкова бързо и толкова драматично, че почти не можем да се свържем с това какъв беше светът“, казва Шолц. В момента „има много за какво да се притесняваме и да приемаме сериозно. Но обикновено намирам това, което правят учените, за да бъде един от най-ярките елементи на всичко, което може да погледнете. "