Virus: vivi, non vivi, minaccia, risorsa genetica

 

Si parla in questi difficili anni di come sopprimere il Coronavirus, ma, per molte delle definizioni di vita, i virus non sono esseri viventi. La maggior parte delle numerose definizioni della vita richiede il metabolismo, un insieme di reazioni chimiche che producono energia. Ebbene: i virus non metabolizzano. I virus occupano una posizione tassonomica speciale: non sono piante, animali o batteri procarioti (organismi unicellulari senza nuclei definiti), e sono generalmente collocati nel proprio regno. In effetti, i virus non dovrebbero nemmeno essere considerati organismi, nel senso più stretto, perché non sono a vita libera, cioè non possono riprodursi e portare avanti processi metabolici senza una cellula ospite. Non sono cellule. 

Tutti i veri virus contengono acido nucleico, DNA (acido desossiribonucleico) o RNA (acido ribonucleico), e proteine. L'acido nucleico codifica le informazioni genetiche, uniche per ogni virus. La forma infettiva, extracellulare (fuori dalla cellula) di un virus è chiamata virione. Contiene almeno una proteina sintetizzata da geni specifici nell'acido nucleico di quel virus. In quasi tutti i virus, almeno una di queste proteine ​​forma un guscio (chiamato capside) attorno all'acido nucleico. Alcuni virus hanno anche altre proteine ​​interne al capside; alcune di queste proteine ​​agiscono come enzimi, spesso durante la sintesi degli acidi nucleici virali. I viroidi (che significa "simili ai virus") sono organismi ancor più semplici, che causano malattie che contengono solo acido nucleico e non hanno proteine ​​strutturali. Altre particelle simili a virus chiamate prioni sono composte principalmente da una proteina strettamente complessata con una piccola molecola di acido nucleico. I prioni sono molto resistenti all'inattivazione e sembrano causare malattie degenerative del cervello nei mammiferi, compreso l'uomo (ricordate la “mucca pazza”?).

I virus sono parassiti per antonomasia; dipendono dalla cellula ospite per quasi tutte le loro funzioni vitali. A differenza dei veri organismi, i virus non possono sintetizzare proteine, perché mancano di ribosomi (organelli cellulari) per la traduzione dell'RNA messaggero virale (mRNA; una copia complementare dell'acido nucleico del nucleo che si associa ai ribosomi e dirige la sintesi proteica) in proteine. I virus devono utilizzare i ribosomi delle loro cellule ospiti per tradurre l'mRNA virale in proteine ​​virali.

Essi sono anche parassiti energetici: a differenza delle cellule, non possono generare o immagazzinare energia sotto forma di adenosintrifosfato (ATP). Il virus trae energia, così come tutte le altre funzioni metaboliche, dalla cellula ospite. Il virus invasore utilizza i nucleotidi e gli amminoacidi della cellula ospite per sintetizzare rispettivamente i suoi acidi nucleici e le sue proteine. Alcuni virus utilizzano i lipidi e le catene zuccherine della cellula ospite per formare le loro membrane e le glicoproteine ​​(proteine ​​legate a brevi polimeri costituiti da diversi zuccheri).

La vera parte infettiva di qualsiasi virus è il suo acido nucleico, DNA o RNA, ma mai entrambi. In molti virus, ma non in tutti, l'acido nucleico da solo, privato del suo capside, può infettare le cellule, sebbene in modo considerevolmente meno efficiente dei virioni intatti.

Il capside del virione ha tre funzioni: proteggere l'acido nucleico virale dalla digestione da parte di alcuni enzimi (nucleasi); fornire siti sulla sua superficie che riconoscono e incollano (adsorbimento) il virione ai recettori sulla superficie della cellula ospite e, in alcuni virus, fornire un componente specializzato che consente al virione di penetrare attraverso la membrana della superficie cellulare o, in casi speciali, di iniettare l'acido nucleico infettivo all'interno del cellula ospite. 

Tuttavia, i virus hanno molti tratti degli esseri viventi. Sono fatti degli stessi materiali di costruzione. Si replicano ed evolvono. Una volta all'interno di una cellula, i virus modificano il loro ambiente in base alle loro esigenze, costruendo organelli e dettando quali geni e proteine ​​la cellula produce. È stato scoperto che i virus giganti, che rivaleggiano con le dimensioni di alcuni batteri, contengono geni per le proteine ​​utilizzate nel metabolismo, aumentando la possibilità che alcuni virus possano metabolizzare.

L'etimologia della parola virus si ricollega alla radice indoeuropea vis- che significa essere attivo, essere aggressivo; da questa radice si è sviluppato il latino vīrus = veleno. L'applicazione del termine latino agli agenti infettivi submicroscopici ora considerati virus si deve al microbiologo olandese Martinus Beijerinck nel 1898 a proposito del virus mosaico del tabacco in "Ueber ein Contagium vivum fluidum als Ursache der Fleckenkrankheit der Tabaksblätter", credendo erroneamente che l'agente fosse un fluido (contagium vivum fluidum, "infezione da fluido vivente") perché passava attraverso i filtri in grado di intrappolare i batteri.

Questo virus e quelli successivamente isolati non crescevano su un mezzo artificiale e non erano visibili al microscopio ottico. Nel 1915 e nel 1917, in due studi indipendenti, il britannico Frederick Twort e il franco-canadese Félix d'Hérelle scoprirono lesioni in colture di batteri attribuite a un agente chiamato batteriofago, ora noto per essere un gruppo di virus che infettano specificamente i batteri.

La natura unica di questi agenti richiedeva la necessità di sviluppare nuovi metodi e modelli alternativi per studiarli e classificarli. Lo studio dei virus confinati esclusivamente o in gran parte all'uomo, tuttavia, poneva il grande problema di trovare un ospite animale suscettibile. Nel 1933 i britannici Wilson Smith, Christopher Andrewes e Patrick Laidlaw, dopo aver isolato il virus dell’influenza umana A, furono in grado di trasmettere l'influenza ai furetti e il virus dell'influenza fu successivamente inoculato e studiato nei topi. Nel 1941 l’americano George Hirst scoprì che il virus dell'influenza cresciuto nei tessuti dell'embrione di pollo poteva essere rilevato dalla sua capacità di agglutinare i globuli rossi.

Un progresso significativo fu fatto dagli americani John Enders, Thomas Weller e Frederick Robbins (premi Nobel per la Medicina nel 1954), che nel 1949 avevano sviluppato la tecnica di coltura delle cellule su superfici di vetro; le cellule poterono quindi essere infettate dai virus che causano la poliomielite (poliovirus) e altre malattie (fino a quel momento, il poliovirus poteva essere coltivato solo nel cervello degli scimpanzé o nel midollo spinale delle scimmie). La coltura di cellule su superfici di vetro aprì la strada all'identificazione delle malattie causate dai virus osservando i loro effetti sulle cellule (effetto citopatogeno) e la presenza di loro anticorpi nel sangue. La coltura cellulare portò poi allo sviluppo e alla produzione di vaccini, come il vaccino contro il poliovirus.

I ricercatori furono presto in grado di rilevare il numero di virus dei batteri in un recipiente di coltura misurando la loro capacità di rompere (lisi) i batteri in un'area ricoperta da una sostanza gelatinosa inerte chiamata agar, un’azione virale che provocava un radura, o “placca”. L’italo-americano Renato Dulbecco (Nobel per la medicina nel 1975) nel 1952 applicò questa tecnica per misurare il numero di virus che potevano produrre placche (e quindi anche tumori) in strati di cellule animali adiacenti ricoperte di agar. Negli anni '40 lo sviluppo del microscopio elettronico ha permesso per la prima volta di vedere le singole particelle virali, portando alla classificazione dei virus e fornendo informazioni sulla loro struttura.

I progressi compiuti in chimica, fisica e biologia molecolare dagli anni '60 hanno rivoluzionato lo studio dei virus. Ad esempio, l'elettroforesi su substrati di gel ha fornito una comprensione più profonda della composizione di proteine ​​e acidi nucleici dei virus. Procedure immunologiche più sofisticate, compreso l'uso di anticorpi monoclonali diretti a specifici siti antigenici sulle proteine, hanno fornito una migliore comprensione della struttura e della funzione delle proteine ​​virali. I progressi compiuti nella fisica dei cristalli che possono essere studiati dalla diffrazione dei raggi X hanno fornito l'alta risoluzione necessaria per scoprire la struttura di base dei minuscoli virus. Le applicazioni delle nuove conoscenze sulla biologia cellulare e sulla biochimica hanno aiutato a determinare come i virus utilizzano le cellule ospiti per sintetizzare acidi nucleici virali e proteine.

La rivoluzione avvenuta nel campo della biologia molecolare ha permesso di studiare l'informazione genetica codificata negli acidi nucleici dei virus, che consente ai virus di riprodursi, sintetizzare proteine uniche e alterare le funzioni cellulari. Infatti, la semplicità chimica e fisica dei virus li ha resi un incisivo strumento sperimentale per sondare gli eventi molecolari coinvolti in certi processi vitali. Il loro potenziale significato ecologico è stato compreso all'inizio del nostro secolo, in seguito alla scoperta di virus giganti negli ambienti acquatici in diverse parti del mondo: la complessità genetica dei virus giganti dei fondali oceanici, ad esempio, ha spinto alcuni ricercatori a chiedersi se i virus debbano davvero essere classificati come non viventi. Alcuni di essi possiedono un codice di istruzioni genetiche più grande di quello di alcuni batteri.

La quantità e la disposizione delle proteine ​​e dell'acido nucleico dei virus determinano la loro dimensione e forma. L'acido nucleico e le proteine ​​di ogni classe di virus si assemblano in una struttura chiamata nucleoproteina o nucleocapside. Alcuni virus hanno più di uno strato di proteine ​​che circondano l'acido nucleico; altri ancora hanno una membrana lipoproteica (envelope), derivata dalla membrana della cellula ospite, che circonda il nucleo del nucleocapside. Penetrando nella membrana ci sono proteine ​​aggiuntive che determinano la specificità del virus per le cellule ospiti. I costituenti delle proteine ​​e degli acidi nucleici hanno proprietà uniche per ogni classe di virus; una volta assemblati, determinano la dimensione e la forma del virus per quella classe specifica. I genomi di Mimivirus e Pandoravirus, che sono alcuni dei più grandi virus conosciuti (fino a 1 micron), vanno da 1 a 2,5 Mb (1 Mb = 1.000.000 di paia di basi di DNA).

La maggior parte dei virus varia in diametro da 20 nanometri (nm) a 250-400 nm; i più grandi, tuttavia, misurano circa 500 nm di diametro e sono lunghi circa 700-1.000 nm. Solo i virus più grandi e complessi possono essere visti al microscopio ottico alla massima risoluzione. Qualsiasi determinazione della dimensione di un virus deve anche tener conto della sua forma, poiché diverse classi di virus hanno forme distintive.

Le forme dei virus sono prevalentemente di due tipi: bastoncelli, o filamenti, così chiamati per la disposizione lineare dell'acido nucleico e delle subunità proteiche; e sfere, che sono in realtà poligoni a 20 lati (icosaedri). La maggior parte dei virus delle piante sono piccoli e sono filamenti o poligoni, così come molti virus batterici. I batteriofagi più grandi e complessi, tuttavia, contengono come informazione genetica DNA a doppio filamento e combinano forme sia filamentose che poligonali. Il classico batteriofago T4 è composto da una testa poligonale, che contiene il genoma del DNA e una coda di fibre lunghe a forma di bastoncino con una funzione speciale. Strutture come queste sono esclusive dei batteriofagi.

I virus degli animali mostrano un'estrema variazione di dimensioni e forma. I virus animali più piccoli misurano da circa 20 nm a 30 nm di diametro. Essi possono avere forma di filamenti o poligoni. Alcuni sono lunghi circa 250-400 nm. I virus responsabili di molte malattie infettive sono strutturalmente più complessi e hanno capsidi a forma di bastoncino (elicoidale) oppure poligonale. La maggior parte dei virus con involucro sembra essere sferica, sebbene i rabdovirus siano cilindri allungati. Un coronavirus, ad esempio, possiede un capside sferico in nanoscala formato da un rivestimento lipidico che avvolge i geni, ricoperto di proteine ​​spike, che formano una serie di protuberanze attive biochimicamente.

I criteri utilizzati per classificare i virus in famiglie e generi si basano principalmente su tre considerazioni strutturali: (1) il tipo e le dimensioni del loro acido nucleico, (2) la forma e le dimensioni dei capsidi e (3) la presenza di un involucro lipidico, derivato dalla cellula ospite, che circonda il nucleocapside virale. Mentre i dibattiti sulla classificazione possono a volte sembrare cose da specialisti, in realtà il modo in cui parliamo di virus influisce sul modo in cui vengono ricercati, trattati e, quando serve, combattuti. Infatti, essi non sono solamente “un veleno”.

Rappresentare i virus solo come una minaccia ostacola una reale comprensione dell'evoluzione e della natura. I virus più diffusi sono persistenti e benigni; rimangono dormienti nelle cellule o si riproducono lentamente, senza danneggiare il meccanismo di replicazione di una cellula.

Inoltre, poiché i virus sono spesso classificati come non viventi, molti tipi di infezione virale, specialmente quando i virus colonizzano con successo un ospite in modo persistente e permanente senza causare malattie acute, vengono ignorati come “scienza marginale", e alcuni scienziati considerano le infezioni virali persistenti semplicemente come un fastidio e quindi non urgenti da studiare. 

I virus sono stati ignorati anche in altri modi. Consideriamo l'albero della vita, un modello e uno strumento di ricerca utilizzato per rappresentare l'evoluzione nel tempo. I virus vengono regolarmente esclusi, anche in versioni popolari come l'Albero della vita interattivo. Eppure, senza virus, non si possono comprendere appieno i meccanismi dell'evoluzione.

I virus sono molto abbondanti. Sono diffusi in tutta la vita cellulare, dai batteri unicellulari, all’uomo, agli alberi più maestosi, e sono particolarmente abbondanti nell'oceano, dove agiscono come una gigantesca rete di riciclo, distruggendo ogni giorno il 20 percento dei batteri e altri microbi e rilasciando tonnellate di carbonio, che viene poi utilizzato da altri microrganismi per svilupparsi.

In tutto il mondo, i virus non si limitano a infettare le cellule, ma sono anche fonti di materiale genetico. Il DNA virale viene trasmesso non solo da una particella virale alla sua progenie, ma anche ad altri virus e altre specie. Per questo motivo, le sequenze genetiche virali hanno preso dimora permanentemente nei genomi di tutti gli organismi, compreso il nostro. Il DNA virale è necessario per la formazione della placenta dei mammiferi, è cruciale nella crescita degli embrioni, e il sistema immunitario umano è costituito, in parte, da antiche proteine ​​virali. Quando una persona sta combattendo contro il COVID-19, lo fa con l'aiuto di virus che hanno colonizzato le nostre cellule molto tempo fa.

In effetti, alcuni scienziati considerano i virus la principale fonte di innovazione genetica. I virus non sono un ramo mancante dell'albero della vita. al contrario ne impregnano ogni ramo e foglia. Possiamo sempre chiederci se i virus siano vivi o meno, ma non possiamo contestare la loro importanza per la vita come la conosciamo.