Misteri asal usul virus

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Virus hampir tidak hidup. Namun, asal dan evolusi mereka bahkan kurang dipahami daripada munculnya organisme seluler "normal". Masih belum diketahui siapa yang muncul lebih awal, sel pertama atau virus pertama. Mungkin mereka selalu menemani kehidupan, seperti bayangan bencana.

Masalahnya adalah bahwa virus tidak lebih dari fragmen genom (DNA atau RNA) yang terbungkus dalam lapisan protein. Mereka tidak meninggalkan jejak dalam catatan fosil, dan yang tersisa untuk mempelajari masa lalu mereka adalah virus modern dan genom mereka.

Membandingkan, menemukan persamaan dan perbedaan, ahli biologi menemukan hubungan evolusi antara virus yang berbeda, menentukan fitur paling kuno mereka. Sayangnya, virus sangat bervariasi dan bervariasi. Cukuplah untuk diingat bahwa genom mereka dapat diwakili oleh rantai tidak hanya DNA (seperti di negara kita dan, misalnya, virus herpes), tetapi juga molekul RNA terkait (seperti pada virus corona).

Molekul DNA/RNA pada virus dapat tunggal atau tersegmentasi menjadi beberapa bagian, linier (adenovirus) atau melingkar (polyomavirus), untai tunggal (anellovirus) atau untai ganda (baculovirus).

Ilmu visual virus Influenza A / H1N1

Struktur partikel virus, kekhasan siklus hidupnya, dan karakteristik lainnya, yang dapat digunakan untuk perbandingan biasa, tidak kalah beragamnya. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang bagaimana para ilmuwan mengatasi kesulitan ini di akhir posting ini. Untuk saat ini, mari kita ingat kesamaan semua virus: semuanya parasit. Tidak ada satu virus pun yang diketahui dapat melakukan metabolisme sendiri, tanpa menggunakan mekanisme biokimia sel inang.

Tidak ada virus yang mengandung ribosom yang dapat mensintesis protein, dan tidak ada yang membawa sistem yang memungkinkan produksi energi dalam bentuk molekul ATP. Semua ini membuat mereka wajib, yaitu, parasit intraseluler tanpa syarat: mereka tidak dapat hidup sendiri.

Tidak mengherankan bahwa, menurut salah satu hipotesis pertama dan paling terkenal, sel pertama kali muncul, dan baru kemudian seluruh dunia virus yang beragam berkembang di tanah ini.

Secara regresif. Dari kompleks ke sederhana

Mari kita lihat rickettsia - juga parasit intraseluler, meskipun bakteri. Selain itu, beberapa bagian genom mereka dekat dengan DNA, yang terkandung dalam mitokondria sel eukariotik, termasuk manusia. Rupanya, keduanya memiliki nenek moyang yang sama, tetapi pendiri "garis mitokondria", yang menginfeksi sel, tidak membunuhnya, tetapi secara tidak sengaja diawetkan dalam sitoplasma.

Akibatnya, keturunan bakteri ini kehilangan lebih banyak gen yang tidak perlu dan terdegradasi menjadi organel seluler yang memasok molekul ATP ke inang sebagai ganti yang lainnya. Hipotesis "regresif" tentang asal usul virus percaya bahwa degradasi seperti itu dapat terjadi pada nenek moyang mereka: setelah organisme seluler yang sepenuhnya lengkap dan mandiri, selama miliaran tahun kehidupan parasit, mereka kehilangan segala sesuatu yang berlebihan.

Ide lama ini telah dihidupkan kembali oleh penemuan virus raksasa baru-baru ini seperti pandoravirus atau mimivirus. Mereka tidak hanya sangat besar (diameter partikel mimivirus mencapai 750 nm - sebagai perbandingan, ukuran virus influenza adalah 80 nm), tetapi mereka juga membawa genom yang sangat panjang (1,2 juta tautan nukleotida di mimivirus versus beberapa ratus di mimivirus). virus umum), mengkodekan ratusan protein.

Di antara mereka ada juga protein yang diperlukan untuk menyalin dan "memperbaiki" (memperbaiki) DNA, untuk produksi messenger RNA dan protein.

Parasit ini kurang bergantung pada inangnya, dan asal usul mereka dari nenek moyang yang hidup bebas terlihat jauh lebih meyakinkan. Namun, banyak ahli percaya bahwa ini tidak menyelesaikan masalah utama - semua gen "tambahan" dapat muncul dari virus raksasa nanti, dipinjam dari pemiliknya.

Lagi pula, sulit membayangkan degradasi parasit yang bisa berlangsung sejauh ini dan bahkan mempengaruhi bentuk pembawa kode genetik dan menyebabkan munculnya virus RNA. Tidak mengherankan bahwa hipotesis lain tentang asal usul virus sama-sama dihormati - kebalikannya.

Progresif. Dari yang sederhana hingga yang kompleks

Mari kita lihat retrovirus, yang genomnya adalah molekul RNA untai tunggal (misalnya, HIV). Begitu berada di sel inang, virus semacam itu menggunakan enzim khusus, reverse transcriptase, mengubahnya menjadi DNA ganda biasa, yang kemudian menembus ke dalam "tempat paling suci" sel - ke dalam nukleus.

Di sinilah protein virus lain, integrase, berperan dan memasukkan gen virus ke dalam DNA inang. Kemudian enzim sel sendiri mulai bekerja dengan mereka: mereka menghasilkan RNA baru, mensintesis protein berdasarkan mereka, dll.

Ilmu visualHuman Immunodeficiency Virus (HIV)

Mekanisme ini menyerupai reproduksi elemen genetik bergerak - fragmen DNA yang tidak membawa informasi yang kita butuhkan, tetapi disimpan dan terakumulasi dalam genom kita. Beberapa dari mereka, retrotransposon, bahkan mampu berkembang biak di dalamnya, menyebar dengan salinan baru (lebih dari 40 persen DNA manusia terdiri dari elemen "sampah" semacam itu).

Untuk ini, mereka mungkin mengandung fragmen yang mengkodekan kedua enzim kunci - reverse transcriptase dan integrase. Faktanya, ini adalah retrovirus yang hampir jadi, tanpa hanya lapisan protein. Tetapi perolehannya adalah masalah waktu.

Menanamkan dalam genom di sana-sini, elemen genetik seluler cukup mampu menangkap gen inang baru. Beberapa dari mereka mungkin cocok untuk pembentukan kapsid. Banyak protein cenderung berkumpul sendiri menjadi struktur yang lebih kompleks. Misalnya, protein ARC, yang memainkan peran penting dalam fungsi neuron, secara spontan terlipat dalam bentuk bebas menjadi partikel mirip virus yang bahkan dapat membawa RNA ke dalamnya. Diasumsikan bahwa penggabungan protein tersebut dapat terjadi sekitar 20 kali, sehingga menimbulkan kelompok besar virus modern yang berbeda dalam struktur amplopnya.

Paralel. Bayangan kehidupan

Namun, hipotesis termuda dan paling menjanjikan membalikkan segalanya lagi, dengan asumsi bahwa virus muncul paling lambat dari sel pertama. Dahulu kala, ketika kehidupan belum berjalan sejauh ini, proto-evolusi molekul yang menggandakan diri, yang mampu menyalin dirinya sendiri, berlangsung dalam "sup primordial".

Secara bertahap, sistem tersebut menjadi lebih kompleks, berubah menjadi kompleks molekul yang lebih besar dan lebih besar. Dan segera setelah beberapa dari mereka memperoleh kemampuan untuk mensintesis membran dan menjadi sel proto, yang lain - nenek moyang virus - menjadi parasit mereka.

Ini terjadi pada awal kehidupan, jauh sebelum pemisahan bakteri, archaea dan eukariota. Oleh karena itu, virus mereka (dan sangat berbeda) menginfeksi perwakilan dari ketiga domain dunia kehidupan, dan di antara virus mungkin ada begitu banyak yang mengandung RNA: RNAlah yang dianggap sebagai molekul "leluhur", replikasi diri dan evolusi yang menyebabkan munculnya kehidupan.

Virus pertama dapat berupa molekul RNA yang "agresif", yang hanya kemudian memperoleh gen yang mengkode amplop protein. Memang, telah ditunjukkan bahwa beberapa jenis cangkang mungkin telah muncul bahkan sebelum nenek moyang terakhir dari semua organisme hidup (LUCA).

Namun, evolusi virus adalah area yang bahkan lebih membingungkan daripada evolusi seluruh dunia organisme seluler. Sangat mungkin bahwa, dengan cara mereka sendiri, ketiga pandangan tentang asal-usul mereka adalah benar. Parasit intraseluler ini sangat sederhana dan pada saat yang sama beragam sehingga kelompok yang berbeda dapat muncul secara independen satu sama lain, dalam proses yang berbeda secara fundamental.

Misalnya, virus raksasa yang mengandung DNA yang sama dapat muncul sebagai akibat dari degradasi sel leluhur, dan beberapa retrovirus yang mengandung RNA - setelah "mendapatkan kemerdekaan" oleh elemen genetik bergerak. Tetapi ada kemungkinan bahwa kita berutang munculnya ancaman abadi ini pada mekanisme yang sama sekali berbeda, yang belum ditemukan dan tidak diketahui.

Genom dan gen. Bagaimana evolusi virus dipelajari

Sayangnya, virus sangat fluktuatif. Mereka tidak memiliki sistem untuk memperbaiki kerusakan DNA, dan setiap mutasi tetap ada dalam genom, tergantung pada seleksi lebih lanjut. Selain itu, virus berbeda yang menginfeksi sel yang sama dengan mudah bertukar fragmen DNA (atau RNA), sehingga menghasilkan bentuk rekombinan baru.

Akhirnya, perubahan generasi terjadi dengan sangat cepat - misalnya, HIV memiliki siklus hidup hanya 52 jam, dan jauh dari umur terpendek. Semua faktor ini memberikan variabilitas virus yang cepat, yang sangat memperumit analisis langsung genom mereka.

Pada saat yang sama, begitu berada di dalam sel, virus sering kali tidak meluncurkan program parasit seperti biasanya - beberapa dirancang dengan cara ini, yang lain karena kegagalan yang tidak disengaja. Pada saat yang sama, DNA mereka (atau RNA, yang sebelumnya diubah menjadi DNA) dapat berintegrasi ke dalam kromosom inang dan bersembunyi di sini, hilang di antara banyak gen sel itu sendiri. Terkadang genom virus diaktifkan kembali, dan terkadang tetap dalam bentuk laten, diturunkan dari generasi ke generasi.

Retrovirus endogen ini diyakini menyumbang hingga 5-8 persen dari genom kita sendiri. Variabilitasnya tidak lagi begitu besar - DNA seluler tidak berubah begitu cepat, dan siklus hidup organisme multiseluler mencapai puluhan tahun, bukan jam. Oleh karena itu, fragmen yang disimpan di dalam selnya merupakan sumber informasi yang berharga tentang masa lalu virus.

Area yang terpisah dan bahkan lebih muda adalah proteomik virus - studi tentang proteinnya. Bagaimanapun, gen apa pun hanyalah kode untuk molekul protein tertentu yang diperlukan untuk melakukan fungsi tertentu. Beberapa "pas" seperti potongan Lego, melipat amplop virus, yang lain dapat mengikat dan menstabilkan RNA virus, dan yang lain lagi dapat digunakan untuk menyerang protein dari sel yang terinfeksi.

Situs aktif protein tersebut bertanggung jawab atas fungsi ini, dan strukturnya bisa sangat konservatif. Ini mempertahankan stabilitas besar sepanjang evolusi. Bahkan bagian individu gen dapat berubah, tetapi bentuk situs protein, distribusi muatan listrik di dalamnya - segala sesuatu yang penting untuk kinerja fungsi yang diinginkan - tetap hampir sama. Dengan membandingkannya, seseorang dapat menemukan koneksi evolusioner yang paling jauh.