Συμβουλές για την έναρξη της ζωής που βρέθηκαν σε έναν γιγάντιο ιό

Η Chantal Abergel και ο Jean-Michel Claverie είχαν συνηθίσει να βρίσκουν περίεργους ιούς. Οι παντρεμένοι ιολόγοι στο Πανεπιστήμιο Aix-Marseille είχαν κάνει καριέρα. Αλλά ο πιθοϊός, τον οποίο ανακάλυψαν το 2013 σε ένα δείγμα σιβηρικής βρωμιάς που ήταν παγωμένο για περισσότερα από 30.000 χρόνια, ήταν πιο παράξενος από ό,τι είχε φανταστεί ποτέ ότι θα μπορούσε να είναι ένας ιός.

Στον κόσμο των μικροβίων, οι ιοί είναι μικροί — διαβόητα μικροί. Ο πιθοϊός δεν είναι. Ο μεγαλύτερος ιός που έχει ανακαλυφθεί ποτέ, ο πιθοϊός είναι πιο μαζικός ακόμη και από μερικά βακτήρια. Οι περισσότεροι ιοί αντιγράφουν τον εαυτό τους καταπατώντας τον μοριακό μηχανισμό του ξενιστή τους. Αλλά ο πιθοϊός είναι πολύ πιο ανεξάρτητος, έχοντας κάποιο δικό του μηχανισμό αναπαραγωγής. Ο σχετικά μεγάλος αριθμός γονιδίων του πιθοϊού τον διαφοροποίησε επίσης από άλλους ιούς, οι οποίοι είναι συχνά γενετικά απλοί - οι μικρότεροι έχουν μόνο τέσσερα γονίδια. Ο πιθοϊός έχει περίπου 500 γονίδια και μερικά χρησιμοποιούνται για πολύπλοκες εργασίες όπως η παραγωγή πρωτεϊνών και η επιδιόρθωση και η αντιγραφή του DNA. "Ήταν τόσο διαφορετικό από αυτό που μας έμαθαν για τους ιούς", είπε ο Abergel.

Το εκπληκτικό εύρημα, που αποκαλύφθηκε για πρώτη φορά τον Μάρτιο, δεν επεκτείνει απλώς τις αντιλήψεις των επιστημόνων για το τι μπορεί να είναι ένας ιός. Επαναπλαισιώνει τη συζήτηση για την προέλευση της ζωής.

Οι επιστήμονες παραδοσιακά πίστευαν ότι οι ιοί ήταν σχετικά καθυστερημένοι στο στάδιο της εξέλιξης, που εμφανίστηκαν μετά την εμφάνιση των κυττάρων. «Βασίζονται σε κυτταρικούς μηχανισμούς για να βοηθήσουν στην αναπαραγωγή τους, επομένως πρέπει να έχουν κάποιο είδος πρωτόγονου κυττάρου για να κάνουν χρήση αυτού του μηχανήματος», δήλωσε ο Jack Szostak, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και βραβευμένος με Νόμπελ. Με άλλα λόγια, οι ιοί απομακρύνουν τα κύτταρα, επομένως χωρίς κελιά, οι ιοί δεν μπορούν να υπάρχουν.

Ωστόσο, ορισμένοι επιστήμονες λένε ότι η ανακάλυψη γιγάντιων ιών θα μπορούσε να ανατρέψει αυτή την άποψη για τη ζωή. Προτείνουν ότι οι πρόγονοι των σύγχρονων ιών, όχι πολύ από το να είναι εξελικτικοί καθυστερημένοι, θα μπορούσαν να παρείχαν την πρώτη ύλη για την ανάπτυξη της κυτταρικής ζωής και να συνέβαλαν στην προώθηση της διαφοροποίησής της στους ποικίλους οργανισμούς που γεμίζουν κάθε γωνιά του πλανήτη.

«Αυτοί οι γιγάντιοι ιοί είναι το τέλειο παράδειγμα για το πώς ένας κόσμος απλών στοιχείων που μοιάζουν με ιούς θα μπορούσε να εξελιχθεί σε κάτι πολύ πιο περίπλοκο», δήλωσε ο Eugene Koonin, υπολογιστικός βιολόγος στο Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας. Ο Koonin περιέγραψε τη θεωρία του για μια ιογενή προέλευση της ζωής σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο στο περιοδικό Microbiology and Molecular Biology Reviews. Αυτός και άλλοι συγκεντρώνουν στοιχεία ότι στοιχεία που μοιάζουν με ιούς ώθησαν αρκετά από τα πιο σημαντικά στάδια στην εμφάνιση της ζωής:την εξέλιξη του DNA, τον σχηματισμό των πρώτων κυττάρων και τον χωρισμό της ζωής σε τρεις τομείς - Αρχαία, βακτήρια και ευκαρυώτες. Τα αρχαία και τα βακτήρια είναι όλα μονοκύτταροι οργανισμοί και οι ευκαρυώτες εμφανίστηκαν μετά από ένα αρχαίο γεγονός σύντηξης μεταξύ ενός αρχαίου και ενός βακτηρίου.

Οι κυρίαρχες θεωρίες για την προέλευση των ιών προτείνουν ότι προέκυψαν είτε από έναν τύπο εκφυλισμένου κυττάρου που είχε χάσει την ικανότητα να αναπαραχθεί από μόνο του είτε από γονίδια που είχαν ξεφύγει από τα κυτταρικά τους όρια.

Οι γιγάντιοι ιοί, που περιγράφηκαν για πρώτη φορά το 2003, άρχισαν να αλλάζουν αυτή τη γραμμή σκέψης για ορισμένους επιστήμονες. Αυτές οι νέες οντότητες αντιπροσώπευαν ένα εντελώς νέο είδος ιού. Πράγματι, το πρώτο δείγμα - που απομονώθηκε από μια αμοιβάδα που ζούσε σε έναν πύργο ψύξης στην Αγγλία - ήταν τόσο περίεργο που χρειάστηκαν χρόνια οι επιστήμονες για να καταλάβουν τι είχαν. Πρώτα υπέθεσαν ότι η άμορφη σταγόνα ήταν ένα βακτήριο. Είχε περίπου το ίδιο μέγεθος με άλλα βακτήρια και έγινε λαμπρό λουλακί όταν χρωματίστηκε με μια χημική ουσία που προσκολλάται μόνο σε ορισμένα βακτήρια. Ωστόσο, όσο και αν προσπαθήσουν, ακόμη και μια ομάδα βρετανών μικροβιολόγων δεν μπόρεσε να αναπτύξει τον οργανισμό στο εργαστήριο. Επειδή πολλοί τύποι βακτηρίων είναι δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να αναπτυχθούν στο εργαστήριο, οι επιστήμονες δεν το σκέφτηκαν πολύ και έβαλαν το δείγμα στην κατάψυξη.

Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, ένας περίεργος μεταπτυχιακός φοιτητής στην Αγγλία πήρε δείγματα του οργανισμού στον Didier Raoult, έναν μικροβιολόγο στη Γαλλία που ειδικευόταν στα δύσκολα αναπτυσσόμενα βακτήρια. Κοίταξε τη φυσαλίδα, μόνο αυτή τη φορά με ένα ισχυρό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Ως τύχη, ο Abergel και ο Claverie συνεργάζονταν μαζί του σε ένα άλλο έργο. Αναγνώρισαν αμέσως το σχήμα του οργανισμού που μοιάζει με ιό - φανταστείτε ένα ζάρι 20 πλευρών, με κάθε πρόσωπο ένα τρίγωνο - παρόλο που το δείγμα ήταν πολλές φορές μεγαλύτερο από οποιονδήποτε ιό είχε δει.

Όταν οι Abergel και Claverie εξέτασαν το γονιδίωμα του ιού, βρήκαν ότι περιείχε σχεδόν 1.000 γονίδια - όσα και μερικά βακτήρια. Οι επιστήμονες το ονόμασαν mimivirus, για να μιμηθεί τον ιό του μικροβίου, επειδή οι αμοιβάδες φαίνεται να το θεωρούν εσφαλμένα ως το τυπικό βακτηριακό τους γεύμα.

Οι Abergel και Claverie υποψιάζονταν ότι οι γιγάντιοι ιοί αφθονούν στον φυσικό κόσμο, αλλά δεν ανιχνεύονται λόγω του μεγέθους τους. Πήραν δείγματα νερού γεμάτο με αμοιβάδες από σχεδόν κάθε τοποθεσία που επισκέφτηκαν. Σε δύο δείγματα - ένα από ένα ρέμα στη Μελβούρνη της Αυστραλίας και ένα που ελήφθη στα ανοιχτά της Χιλής - βρήκαν έναν ακόμη μεγαλύτερο ιό να αναπτύσσεται στις αμοιβάδες, τον οποίο ονόμασαν πανδοραϊό και περιέγραψαν σε μια μελέτη στο περιοδικό Science πέρυσι. «Επαναλάβαμε κάθε πείραμα 10 φορές γιατί αυτός ο ιός ήταν τόσο παράξενος», είπε ο Άμπεργκελ. "Συνεχίζουμε να πιστεύουμε ότι κάναμε λάθος."

Με έναν εκπληκτικά υψηλό αριθμό γονιδίων, περίπου 2.500, ο πανδοραιός φαινόταν να προαναγγέλλει μια εντελώς νέα κατηγορία ιικής ζωής. «Περισσότερο από το 90 τοις εκατό των γονιδίων του δεν έμοιαζαν με τίποτα άλλο που βρέθηκε στη Γη», είπε ο Άμπεργκελ. «Ανοίγαμε το κουτί της Πανδώρας και δεν είχαμε ιδέα τι μπορεί να ήταν μέσα.»

Στη συνέχεια, πριν από αρκετούς μήνες, βρήκαν τον πιθοϊό, ο οποίος είναι νάνος ακόμη και του πανδοραίου σε μέγεθος και διαθέτει γονίδια εξίσου περίεργα. Αυτά τα παράξενα γονίδια οδήγησαν αμέσως τους επιστήμονες να κάνουν εικασίες σχετικά με την προέλευση των γιγάντιων ιών. Δεδομένου ότι τα γονίδια των πιθοϊών ήταν τόσο διαφορετικά από οτιδήποτε άλλο είχαν δει οι επιστήμονες, φαινόταν πιθανό ότι οι πρόγονοι των γιγάντιων ιών είχαν εξελιχθεί νωρίς στην ιστορία της ζωής. Αυτή η ιδέα, ωστόσο, έρχεται σε αντίθεση με τη γενικά αποδεκτή άποψη ότι οι ιοί δεν εξελίχθηκαν παρά πολύ αργότερα. Οι γιγάντιοι ιοί παρέχουν την τέλεια ευκαιρία να μελετήσουμε πώς εξελίχθηκαν οι ιοί, καθώς σχετίζονται μόνο σε απόσταση με άλλους ιούς και προσφέρουν μια άγνωστη ακόμη προοπτική για την εξέλιξη των ιών. Αλλά πότε ακριβώς εμφανίστηκαν οι ιοί — πριν ή μετά την ανάπτυξη της κυτταρικής ζωής;

Ο Κουνίν βρίσκεται σταθερά στο στρατόπεδο «πριν». Σύμφωνα με τη θεωρία του, που ονομάστηκε Κόσμος των Ιών, οι πρόγονοι των σύγχρονων ιών εμφανίστηκαν όταν όλη η ζωή ήταν ακόμα μια αιωρούμενη γενετική πληροφορία, αμινοξέα και λιπίδια. Τα πρώτα κομμάτια γενετικού υλικού ήταν πιθανότατα μικρά κομμάτια RNA με σχετικά λίγα γονίδια που συχνά παρασιτούσαν άλλα αιωρούμενα κομμάτια γενετικού υλικού για να δημιουργήσουν αντίγραφα του εαυτού τους. Αυτά τα γυμνά κομμάτια γενετικών πληροφοριών αντάλλαξαν γονίδια σε μια αρχέγονη αγορά γενετικών ψύλλων, οικειοποιώντας τα χέρια από άλλα στοιχεία και απορρίπτοντας γονίδια που δεν ήταν πλέον απαραίτητα.

Με την πάροδο του χρόνου, υποστηρίζει ο Koonin, τα παρασιτικά γενετικά στοιχεία παρέμειναν ανίκανα να αναπαραχθούν μόνα τους και εξελίχθηκαν σε σύγχρονους ιούς που απομακρύνονται από τους κυτταρικούς ξενιστές τους. Τα γονίδια που παρασίτησαν άρχισαν να εξελίσσουν διαφορετικούς τύπους γενετικών πληροφοριών και άλλα εμπόδια για να προστατευθούν από τους γενετικούς ελεύθερους φορτωτές, οι οποίοι τελικά εξελίχθηκαν σε κύτταρα.

Η Θεωρία του Κόσμου του Ιού σχετίζεται στενά με τη Θεωρία του Κόσμου του RNA, η οποία λέει ότι η ζωή εξελίχθηκε αρχικά ως μικρά κομμάτια RNA που σιγά-σιγά εξελίχθηκαν σε πολύπλοκους οργανισμούς που φέρουν DNA. Η Θεωρία του Κόσμου του Ιού συμφωνεί ότι το γενετικό υλικό της ζωής ξεκίνησε ως RNA. Αλλά διαφέρει με το επιχείρημα ότι οι πρόγονοι των ιών εξελίχθηκαν πριν από τα κύτταρα.

Οι υποστηρικτές επισημαίνουν μερικές γραμμές αποδείξεων. Πρώτον, η ποικιλομορφία των ιών υπερβαίνει κατά πολύ αυτή που υπάρχει στην κυτταρική ζωή. «Εκεί που βρίσκεται η ποικιλομορφία, βρίσκεται η προέλευση», είπε ο Valerian Dolja, ιολόγος και βιολόγος φυτικών κυττάρων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Όρεγκον που συνεργάζεται με τον Koonin. Σύμφωνα με αυτή την προοπτική, εάν οι ιοί αναπτύχθηκαν από κύτταρα, θα πρέπει να είναι λιγότερο διαφορετικοί επειδή τα κύτταρα θα περιέχουν ολόκληρο το φάσμα των γονιδίων που είναι διαθέσιμα στους ιούς. Είναι ένα επαναλαμβανόμενο θέμα στην εξελικτική βιολογία:Ένας από τους λόγους που γνωρίζουμε ότι οι άνθρωποι προέρχονται από την Αφρική είναι ότι η γενετική ποικιλομορφία μεταξύ των κατοίκων αυτής της ηπείρου είναι πολύ μεγαλύτερη από οπουδήποτε αλλού. Εάν αυτό το μοτίβο ποικιλομορφίας ισχύει για τους ανθρώπους, είπε ο Dolja, δεν υπάρχει λόγος να μην ισχύει και για τους ιούς.

Οι ιοί είναι επίσης πιο διαφορετικοί όσον αφορά την αναπαραγωγή. «Τα κύτταρα έχουν μόνο δύο βασικούς τρόπους αντιγραφής του DNA τους», δήλωσε ο Patrick Forterre, ιολόγος στο Πανεπιστήμιο Paris-Sud. «Το ένα βρίσκεται στα βακτήρια, το άλλο στα Αρχαία και στους ευκαρυώτες». Οι ιοί, από την άλλη πλευρά, έχουν πολλές περισσότερες μεθόδους στη διάθεσή τους, είπε.

Ο Forterre προτείνει ότι οι ιοί εξελίχθηκαν μετά από πρωτόγονα κύτταρα αλλά πριν από τα σύγχρονα κύτταρα. Μερικοί από τους ιούς που μολύνουν τους τρεις διαφορετικούς τομείς της ζωής μοιράζονται πολλές από τις ίδιες πρωτεΐνες, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να έχουν εξελιχθεί πριν η ζωή αποκλίνει σε αυτούς τους τρεις κλάδους. Ο Forterre δεν έχει ακόμη αναγνωρίσει καμία από αυτές τις πρωτεΐνες στην κυτταρική ζωή, εκτός από ένα απόσπασμα DNA που ήταν σαφώς το αποτέλεσμα της εισαγωγής ιικών γονιδίων. "Οι ιοί έπρεπε να υπάρχουν πριν από τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο όλης της ζωής στη Γη", είπε ο Forterre.

Παρά τα ασυνήθιστα γονίδιά τους, οι γιγάντιοι ιοί έχουν ομαδοποιηθεί σε μια μεγαλύτερη οικογένεια ιών γνωστών ως νουκλεοκυτταροπλασματικοί μεγάλοι ιοί DNA, που περιλαμβάνει την ευλογιά. Οι γιγάντιοι ιοί είναι πολύ πιο περίπλοκοι από την ευλογιά, έτσι οι επιστήμονες αρχικά νόμιζαν ότι εξελίχθηκαν αργότερα από τα πιο παραδοσιακά ιογενή ξαδέρφια τους. Αλλά πιο πρόσφατη εργασία δείχνει ότι αυτοί οι ιοί εξελίχθηκαν επίσης πολύ νωρίς στην ιστορία της ζωής. Ο Gustavo Caetano-Anolles, ειδικός βιοπληροφορικής στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign, εντόπισε την εξελικτική ιστορία των πρωτεϊνών που βρίσκονται σε αρκετούς γιγάντιους ιούς σε μια μελέτη του 2012 στο περιοδικό BMC Evolutionary Biology. Το έργο του δείχνει ότι αυτοί οι ιοί «αντιπροσωπεύουν μια μορφή ζωής που είτε προϋπήρχε είτε συνυπήρχε με τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο, τον πιο πρόσφατο οργανισμό από τον οποίο προέρχονται όλοι οι άλλοι οργανισμοί στη Γη. Εάν οι γιγάντιοι ιοί είναι τόσο παλιοί όσο υπολογίζονται οι Caetano-Anolles, οι επιπτώσεις είναι συγκλονιστικές. Σημαίνει ότι ένας γιγαντιαίος ιός ή ένας από τους προγόνους του υπήρχε πριν από άλλους τύπους ζωής και μπορεί να έπαιξε σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της ζωής όπως τη γνωρίζουμε. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι οι ιοί είναι μία από τις κυρίαρχες εξελικτικές δυνάμεις σε αυτόν τον πλανήτη και ότι κάθε οργανισμός έχει ένα βαθύ, ιογενές παρελθόν.

Ο Szostak συμφωνεί με τον Koonin και άλλους ότι οι ιοί ήταν μια ισχυρή εξελικτική δύναμη και ότι εξελίχθηκαν νωρίτερα από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες. Ωστόσο, κάνει διάκριση μεταξύ παρασιτικών γενετικών στοιχείων (μικρά κομμάτια γενετικού υλικού που χρησιμοποιούν άλλα κομμάτια γενετικού υλικού για να δημιουργήσουν αντίγραφα του εαυτού τους), τα οποία συμφωνεί ότι υπήρχαν πιθανώς πριν από την ανάπτυξη των κυττάρων και πραγματικών ιών, που δεν μπορούν να υπάρχουν χωρίς κελιά.

«Όποτε αναμιγνύετε ένα σωρό μικρά μόρια RNA μαζί, λαμβάνετε ένα σωρό παρασιτικές αλληλουχίες που δεν είναι καλές σε τίποτα εκτός από το να δημιουργούν αντίγραφα του εαυτού τους πιο γρήγορα από οτιδήποτε άλλο», είπε ο Szostak. Για να γίνουν αυτές οι αλληλουχίες παρόμοιες με τους σύγχρονους ιούς, πρέπει να παρασιτίσουν ένα ζωντανό κύτταρο, όχι απλώς έναν άλλο κλώνο RNA.

Η Dolja διαφωνεί, λέγοντας ότι τα κύτταρα δεν θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί χωρίς ιούς. «Για να μετακινηθείτε από το RNA στο DNA, χρειάζεστε ένα ένζυμο που ονομάζεται αντίστροφη μεταγραφάση», είπε ο Dolja. «Βρίσκεται μόνο σε ιούς όπως ο HIV, όχι στα κύτταρα. Πώς θα μπορούσαν λοιπόν τα κύτταρα να αρχίσουν να χρησιμοποιούν DNA χωρίς τη βοήθεια ενός ιού;»

Οι Abergel και Claverie, ωστόσο, πιστεύουν ότι οι ιοί αναδύθηκαν από τα κύτταρα. Ενώ ο Forterre και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι τα μοναδικά γονίδια που βρίσκονται σε γιγάντιους ιούς είναι σημάδι ότι εξελίχθηκαν πριν από τα σύγχρονα κύτταρα, οι Abergel και Claverie έχουν μια διαφορετική εξήγηση:Οι γιγάντιοι ιοί μπορεί να έχουν εξελιχθεί από μια σειρά κυττάρων που έχει πλέον εξαφανιστεί. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, ο πρόγονος των γιγάντιων ιών έχασε την ικανότητά του να αναπαράγεται ως ανεξάρτητη μορφή ζωής και αναγκάστηκε να βασιστεί σε άλλα κύτταρα για να αντιγράψει το DNA του. Κομμάτια από τα γονίδια αυτών των αρχαίων κυττάρων επιβιώνουν στον σύγχρονο μιμιιό, τον πανδοραιό και τον πιθοϊό, γεγονός που θα εξηγούσε τα μοναδικά γονίδια που βρίσκονται σε αυτήν την ομάδα. «Η ζωή δεν είχε έναν μόνο πρόγονο», είπε ο Claverie. «Υπήρχαν πολλοί κυτταρικοί οργανισμοί που όλοι ανταγωνίζονταν, και ένας νικητής ήταν ο οποίος αποτέλεσε τη βάση για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε σήμερα».

Είναι απίθανο να διευθετηθεί ποτέ η συζήτηση για το πότε και πώς εξελίχθηκαν για πρώτη φορά οι ιοί - αυτή είναι η φύση της προσπάθειας απάντησης σε μια ερώτηση της οποίας η ιστορία έχει ξεθωριάσει με τον καιρό. Αλλά ο Abergel και ο Claverie συνεχίζουν να πιστεύουν ότι οι γιγάντιοι ιοί θα είναι το κλειδί για οποιεσδήποτε απαντήσεις προκύψουν. Το ζευγάρι κυνηγά για ακόμη μεγαλύτερες, πιο περίεργες επαναλήψεις, οι οποίες ελπίζουν ότι θα αποκαλύψουν όχι μόνο την εξέλιξη των γιγάντιων ιών, αλλά ίσως και όλων των ιών. «Όπου κι αν κοιτάξουμε, βρίσκουμε γιγάντιους ιούς», είπε ο Claverie. "Είτε είμαστε εξαιρετικοί είτε αυτά τα πράγματα είναι παντού."

Διορθώθηκε στις 11 Ιουλίου 2014: Μια προηγούμενη έκδοση αυτού του άρθρου περιέγραψε εσφαλμένα ένα χαρακτηριστικό σχήμα ιού ως καλούπι 20 πλευρών, με κάθε όψη ένα εξάγωνο. Κάθε όψη της μήτρας είναι ένα τρίγωνο και το σχήμα μοιάζει με εξάγωνο σε δύο διαστάσεις.