Virus (biologie)

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Virus
Rotavirus Reconstruction.jpg
Reconstrucția computerizată a unui rotavirus
Clasificare științifică
Domeniu Acytota
Grupurile I-VII

Un virus (din latinescul vīrus , „otravă”) este o entitate biologică cu caracteristicile unui parazit obligatoriu, deoarece se reproduce exclusiv în interiorul celulelor organismelor . Virușii pot infecta toate formele de viață, de la animale , la plante , la microorganisme (inclusiv alți agenți infecțioși, cum ar fi bacteriile ) și chiar și alți viruși. [1] [2]

În 1892 Dmitri Ivanovsky a descris într-un articol un agent patogen non-bacterian capabil să infecteze plantele de tutun , din care în 1898 [3] Martinus Beijerinck a descoperit virusul mozaicului tutunului . De atunci, aproximativ 5 000 de specii de virusuri au fost descrise în detaliu, [4] deși se crede că există milioane dintre ele. [5] Virușii se găsesc în aproape toate ecosistemele de pe Pământ și reprezintă cea mai abundentă entitate biologică dintre toate. [6] [7] Disciplina care se ocupă cu studiul virușilor este cunoscută sub numele de virologie , o subspecialitate a microbiologiei .

Când nu se află în stadiul de infecție sau în interiorul unei celule infectate, virușii există sub formă de particule independente, inactive. Aceste particule virale, cunoscute și sub numele de virioni , sunt alcătuite din două sau trei părți: (I) materialul genetic constând din ADN sau ARN , molecule lungi care transportă informații genetice; (II) un strat proteic , numit capsidă , care înconjoară și protejează materialul genetic; și în unele cazuri (III) un buzunar lipidic care înconjoară stratul proteic atunci când se află în afara celulei. Virionii pot avea forme simple, elicoidale și icosaedrice, dar și arhitecturi mai complexe. Majoritatea virușilor au virioni care sunt prea mici pentru a fi văzuți cu microscopul cu lumină. În medie, virionul este de aproximativ o sutime din dimensiunea medie a unei bacterii .

Originile virușilor nu sunt clare: este posibil să fi evoluat din plasmide sau din transpozoni și retrotranspozoni sau ca produse de degradare ale ADN-ului celular sau chiar în timpul fazei ARN a lumii , adică înainte de originea vieții. Evoluția virusurilor este un mijloc important de transfer orizontal de gene , care le mărește diversitatea genetică . [8] Virușii sunt considerați de unii biologi ca o formă de viață, deoarece posedă material genetic, se reproduc și evoluează prin selecție naturală . Cu toate acestea, le lipsește unele caracteristici importante, cum ar fi structura celulară și un metabolism. Deoarece posedă unele, dar nu toate caracteristicile, virușii au fost adesea descriși drept „organisme aflate la marginea vieții”. [9]

Virușii se dezvoltă în multe feluri: cele ale plantelor sunt adesea transmise de la plantă la plantă de către insectele care se hrănesc cu seva lor, cum ar fi afidele ; la animale pot fi transportate de insecte care suge sânge . Aceste organisme sunt cunoscute sub numele de purtători. Virușii gripali se răspândesc prin tuse și strănut. Norovirusurile și rotavirusurile , cauze frecvente ale gastroenteritei virale, se transmit pe calea fecal-orală și sunt transmise de la persoană la persoană prin contact, intrând în organism cu alimente și băuturi. HIV este unul dintre mai multe virusuri transmise prin contact sexual și expunerea la sânge infectat. Gama de celule gazdă pe care un virus le poate infecta se numește „ gazda ” acesteia. Unii viruși sunt capabili să infecteze doar câteva gazde, în timp ce alții sunt capabili să infecteze mulți. [10]

La animale, infecțiile virale provoacă un răspuns imun care ucide de obicei virusul infectant. Răspunsurile imune pot fi produse și de vaccinuri , care conferă imunitate dobândită artificial pentru infecția virală specifică. Cu toate acestea, unii viruși, inclusiv cei care provoacă SIDA și hepatita virală , sunt capabili să evadeze aceste răspunsuri imune și să provoace infecții cronice. Antibioticele nu au niciun efect asupra virusurilor, dar au fost dezvoltate mai multe medicamente antivirale .

Etimologie

Cuvântul „virus” provine din cuvântul latin vīrus , care înseamnă „toxină” sau „otravă”.

Cele din mozaicul de tutun au fost primele formațiuni virale observate de om în 1892, grație muncii omului de știință rus Dmitry Iosifovič Ivanovskij . Au fost numiți inițial „viruși filtrabili”, deoarece treceau prin filtre care rețineau bacterii, filtre ceramice cu porozitate micrometrică, dar, spre deosebire de toxinele simple, puteau fi reținute prin ultrafiltre. Aceștia vor fi clasificați definitiv ca virus în 1898 de botanistul olandez Martinus Willem Beijerinck care, folosind experimente de filtrare pe frunze de tutun infectate, a putut demonstra că mozaicul tutunului este cauzat de un agent infecțios mai mic decât cel al unei bacterii .

Alegerea cuvântului latin vīrus creează probleme în dorința de a obține pluralul din acesta, așa cum este obișnuit în taxonomie (vezi animalia pentru animale, plantae , pentru plante etc.). Fiind un cuvânt neutru al declinării II și terminat în -us în cele trei cazuri directe (nominativ, acuzativ și vocativ) este considerat neregulat. Este declinat în cazuri oblice (genitiv, dativ și ablativ) cu sinonimul venēnum . Ar trebui să fie singulare tantum , adică are doar singularul, precum „orez” sau „aer”. În anumite circumstanțe, ar putea fi făcut plural, dar această formă nu a ajuns la noi. Lwoff, Horne și Tournier, în clasificarea lor din 1962, propun și folosesc forma vira . În lumea vorbitoare de limbă engleză se folosește forma incorectă virii (de la vīriī ), mai ales pentru a se referi la virușii computerizați , în timp ce în câmpul biologic se folosește virușii forma engleză pluralizată. Vīriī este incorect, deoarece presupune cuvântul vīrius (ca radius , radiī ), care nu există. Un alt plural conceput este vīrī , care totuși ar necesita cuvântul vir ca singular, care înseamnă „om” și este redat la plural ca vĭrī .

Termenul „virion” (plural „virioni”), inventat în franceză în 1959 sub forma „virion” [11] și introdus în limba italiană în 1983, este, de asemenea, folosit pentru a se referi la o singură particulă virală, stabilă și infecțioasă, care este eliberat din celulă și este pe deplin capabil să infecteze alte celule de același tip. [12]

Istorie

Martinus Willem Beijerinck în laboratorul său în 1921

Louis Pasteur a reușit să determine agentul cauzal al rabiei și a prevăzut existența unui agent patogen prea mic pentru a fi detectat cu ajutorul microscopului . [13] În 1884 microbiologul francez Charles Chamberland a inventat un filtru (cunoscut astăzi ca filtru Chamberland sau filtru Chamberland-Pasteur) cu pori mai mici decât cel al bacteriilor, astfel încât acestea să poată fi îndepărtate complet prin filtrarea lichidului care conține germenii în suspensie. . [14]

În 1892, biologul rus Dmitri Ivanovsky a folosit acest filtru pentru a studia ceea ce este acum cunoscut sub numele de virusul mozaicului tutunului . Experimentele sale au arătat că extractele de frunze din plantele de tutun zdrobite și infectate rămân infecțioase după filtrare. Ivanovsky a sugerat că infecția ar putea fi cauzată de o toxină produsă de bacterii, dar nu a aprofundat problema. [15] În acel moment, se credea că toți agenții infecțioși puteau fi reținuți prin filtre și crescuți pe mediu nutritiv. [16] În 1898, microbiologul olandez Martinus Beijerinck a repetat experimentele și a devenit convins că soluția filtrată conține o nouă formă de agent infecțios. [17] El a observat că acest agent s-a înmulțit doar în divizarea celulelor, dar din moment ce experimentele sale nu au arătat că este format din particule, el l-a numit contagium vivum fluidum (germen solubil al vieții) și a reintrodus cuvântul virus. [15] Beijerinck a susținut că virusurile aveau o natură lichidă, o teorie discreditată ulterior de Wendell Meredith Stanley , care a dovedit că sunt particule. [15] În același an, Friedrich Loeffler și Paolo Frosch au izolat primul virus animal, agentul febrei aftoase ( aftovirus ), printr-un filtru similar. [18]

În secolul al XX-lea , bacteriologul englez Frederick Twort a descoperit un grup de viruși capabili să infecteze bacteriile, numiți acum bacteriofagi [16] (sau frecvent fagi), iar microbiologul franco-canadian Félix d'Herelle a descris un virus care, adăugat la bacterii pe agar , ar produce zone de bacterii moarte. El a diluat cu atenție o suspensie a acestor viruși și a constatat că cele mai mari diluții (concentrațiile cele mai mici de virus), mai degrabă decât uciderea tuturor bacteriilor, au format zone discrete ale organismelor moarte. Numărând aceste sectoare și înmulțindu-l cu factorul de diluare, el a reușit să calculeze numărul de viruși din suspensia inițială. [19] Fagii au fost considerați ca un tratament potențial pentru unele boli precum tifosul și holera , dar această idee a fost pusă deoparte datorită introducerii penicilinei . Cu toate acestea, studiul fagilor ne-a permis să înțelegem unele aspecte ale expresiei genelor și un mecanism util pentru introducerea genelor străine în bacterii.

La sfârșitul secolului al XIX-lea , virușii erau clasificați în funcție de infectivitatea lor, capacitatea lor de a fi filtrate și cerințele pentru gazdele lor vii. Virușii au fost inițial crescuți numai la plante și animale. În 1906, Ross Granville Harrison a introdus o metodă de cultivare la limfă și, în 1913, E. Steinhardt, C. Israeli și RA Lambert au folosit această metodă pentru reproducerea virusurilor destinate să devină vaccinuri în fragmente de țesut cornean al unui cobai. [20] În 1928, HB Maitland și MC Maitland au multiplicat virusurile vaccinului în suspensii de rinichi de pui. Metoda lor a început să fie adoptată pe scară largă începând cu 1950, când poliovirusul a fost cultivat pe scară largă pentru producerea vaccinului împotriva poliomielitei . [21]

O altă descoperire a avut loc în 1931, când patologul american Ernest William Goodpasture a dezvoltat virusul gripei și multe alte virusuri în ouăle găinilor fertilizate. [22] În 1949, John Franklin Enders , Thomas Weller și Frederick Robbins au crescut virusul poliomielitei în celule cultivate pe embrioni umani , primul virus care a fost cultivat fără utilizarea țesutului animalului solid sau a ouălor. Această lucrare i-a permis lui Jonas Salk să facă un vaccin eficient împotriva poliomielitei. [23]

Primele imagini ale virușilor au fost obținute în urma invenției microscopului electronic în 1931, grație muncii inginerilor germani Ernst Ruska și Max Knoll . [24] În 1935, biochimistul și virusologul american Wendell Meredith Stanley a analizat virusul mozaicului tutunului și a arătat că acesta este în mare parte format din proteine. [25] La scurt timp după aceea, a fost posibilă separarea proteinelor de ARN în acest virus. [26] Virusul mozaicului tutunului a fost primul care a fost cristalizat și structura acestuia a fost ulterior analizată în detaliu. Primele imagini de difracție cu raze X ale virusului cristalizat au fost obținute de Bernal și Fankuchen în 1941. Pe baza fotografiilor lor, Rosalind Franklin a descoperit, în 1955, structura completă a virusului. [27] În același an, Heinz Fraenkel-Conrat și Robley Williams au demonstrat că virusul mozaicului tutunului purificat și stratul său proteic sunt capabili să asambleze singuri viruși funcționali, sugerând că acest mecanism simplu a fost probabil mijlocul prin care sunt creați virușii. în celulele lor gazdă. [28]

A doua jumătate a secolului al XX-lea a fost o epocă de aur pentru studiul virușilor, iar majoritatea celor aproximativ 5.000 de specii au fost descoperite în acești ani. [29] În 1957, s-a descoperit arteriviridae ecvine , cauza diareei virale bovine (un pestivirus ). În 1963 Baruch Blumberg a descoperit virusul hepatitei B [30], iar în 1965, Howard Temin a descris primul retrovirus . Transcriptaza inversă , enzima pe care retrovirusurile o utilizează pentru a face copii ADN ale ARN-ului lor, a fost descrisă pentru prima dată în 1970, în mod independent de Howard Martin Temin și David Baltimore . [31] În 1983, grupul condus de Luc Montagnier la Institutul Pasteur din Franța a izolat pentru prima dată retrovirusul numit acum HIV . [32]

Caracteristici

Structura unui bacteriofag

Virușii sunt toți paraziți intracelulari obligați. În afara celulelor gazdă sunt formate dintr-un virion , format dintr-o capsulă proteică (numită capsidă ) care conține acidul nucleic ( ADN sau ARN ). Virușii eucariote pot avea, de asemenea, o membrană care înconjoară capsida numită peplos sau pericapsidă . Uneori, între capsidă și peplos, acestea prezintă un strat proteic suplimentar care ia numele de tegument. Virionii nu au metabolism: de aceea sunt transportați pasiv până când găsesc o celulă de infectat. Infecția unei celule gazdă necesită legarea la proteinele specifice ale membranei.

Virușii își pierd individualitatea structurală în celulele infectate: constau din acizi nucleici și produsele lor care preiau controlul unei părți a activității biosintetice celulare pentru a produce noi virioni.

Alternativ, unii viruși își pot introduce fizic genomul în cel al gazdei, astfel încât să fie reprodus împreună cu acesta. Genomul viral inserat în cel al gazdei, numit provirus , își recapătă individualitatea și produce noi virioni în caz de deteriorare a celulei gazdă.

Origine

Este posibil ca virușii să fi existat de la evoluția primelor celule vii. [33] Originea virusurilor este totuși neclară, deoarece acestea nu formează fosile în sensul clasic al termenului; Tehnicile moleculare au fost folosite pentru a compara ADN-ul sau ARN-ul virușilor și s-au dovedit foarte utile pentru investigarea modului în care ar fi putut să apară în cele mai vechi timpuri. [34] În plus, materialul genetic viral poate trece ocazional în linia germinativă a organismelor gazdă, astfel încât descendenții gazdei vor avea virusul integrat în propriul lor genom. Aceasta oferă o sursă valoroasă de informații pentru virologi pentru a urmări virușii antici care existau gratuit până acum milioane de ani. Există trei ipoteze principale care au ca scop explicarea originilor virușilor: [35] [36]

Ipoteza regresivă

Această teorie afirmă că virușii ar fi putut fi odată mici celule parazitare ale celulelor mai mari. De-a lungul timpului, genele care nu sunt impuse de natura lor parazitară s-au pierdut. Bacteriile din genurile Rickettsia și Chlamydia sunt celule care, la fel ca virusurile, sunt capabile să se reproducă numai în celulele gazdă vii. Aceștia susțin această ipoteză pe motiv că dependența lor de parazitism le-a determinat probabil să piardă genele care le-ar putea permite să supraviețuiască în afara unei celule. Această ipoteză se mai numește degenerare [37] [38] sau reducere . [39]

Ipoteza de origine celulară

Aceasta, numită uneori ipoteza rătăcitoare [37] [40] sau ipoteza evadării, [39] constă în a crede că unele virusuri au evoluat din fragmente de ADN sau ARN care „au scăpat” din gene într-un organism mai mare. ADN-ul evadat ar fi putut proveni din plasmide (fragmente de ADN care se pot mișca între celule) sau din transpozoni / retrotranspozoni (molecule de ADN care se replică și se deplasează din diferite locații din cadrul genelor celulei). [41] Odată numite „gene săritoare”, transpozonii sunt exemple de elemente genetice mobile care ar putea fi originea unor viruși deoarece au secvențe similare. Au fost descoperite în porumb de Barbara McClintock în 1950. [42]

Ipoteza coevoluției

Aceasta este, de asemenea, numită prima ipoteză a virusului [39] și propune că virusurile au evoluat din molecule complexe de proteine ​​și acizi nucleici în același timp în care celula a apărut pentru prima dată pe Pământ și ar rămâne dependentă de viața celulară timp de miliarde de ani. Viroizii sunt molecule de ARN care nu sunt clasificate ca viruși, deoarece nu au un strat proteic. Cu toate acestea, acestea au caracteristici comune pentru mai mulți viruși și sunt adesea numiți agenți subvirali. [43] Viroizii sunt agenți patogeni importanți ai plantelor. [44] Acestea nu codifică proteinele, ci interacționează cu celula gazdă și își folosesc structurile pentru a se replica. [45] Virusul hepatitei umane delta are un genom de ARN asemănător unui viroid, dar are un strat proteic derivat din virusul hepatitei B și nu-și poate produce propriul. Prin urmare, este un virus defect . Deși genomul virusului hepatitei delta se poate reproduce independent în cadrul unei celule gazdă, necesită prezența virusului hepatitei B pentru a-i oferi un strat proteic, astfel încât să poată fi transmis mai departe celulelor noi. [46] În mod similar, virofagul Sputnik este dependent de mimivirusuri și infectează protozoarul Acanthamoeba castellanii . [47] Acești viruși, care depind de prezența altor specii de virus în celula gazdă, sunt numiți „sateliți” și pot reprezenta intermediari evolutivi de viroizi și viruși. [48] [49]

În trecut, au existat probleme cu toate aceste ipoteze: ipoteza regresivă nu explică de ce nici cel mai mic dintre paraziții celulari nu seamănă în vreun fel cu virușii. Ipoteza evadării nu explică prezența capsidelor complexe și a altor structuri de particule virale. Prima ipoteză a virusului încalcă însăși definiția unui virus care necesită o celulă gazdă. [39] Virușii sunt acum recunoscuți ca fiind foarte vechi și cu o dată de origine anterioară divergenței vieții în cele trei domenii . [50] Această descoperire a determinat virologii moderni să reconsidere și să reevalueze cele trei ipoteze clasice. [50] .

Dovezile unei lumi ancestrale a celulelor ARN [51] și analizele computerizate ale secvențelor de ADN viral oferă o mai bună înțelegere a relațiilor evolutive dintre diferiți viruși și pot ajuta la identificarea strămoșilor virușilor moderni. Aceste analize nu au putut dovedi care dintre ipotezele formulate este mai corectă [51] , cu toate acestea pare puțin probabil ca toți virușii cunoscuți să aibă un strămoș comun și probabil că mulți viruși s-au născut în trecut cu mecanisme diferite. [52]

Microbiologie

Proprietăți vitale

Există o diferență de opinie cu privire la faptul dacă virușii sunt o formă de viață sau structuri organice care interacționează cu organismele vii. Au fost descrise de un autor ca „organisme aflate la marginea vieții”, [9] deoarece seamănă cu organisme care posedă gene și evoluează prin selecție naturală [53] și se reproduc prin crearea mai multor copii ale lor printr-un mecanism de auto-asamblare ceea ce i-ar face, de asemenea, să se definească drept „creatori ai diversității” [54] . Deși posedă gene, nu au o structură celulară, care este adesea văzută ca unitatea de bază a vieții. Virușii nici măcar nu au propriul lor metabolism și au nevoie de celula gazdă pentru a produce produse noi. Prin urmare, nu se pot reproduce în mod natural în afara unei celule gazdă. [55] Cu toate acestea, speciile bacteriene, cum ar fi rickettsiae și chlamydiae, sunt considerate organisme vii, deși au aceeași limitare. [56] [57] Formele de viață acceptate folosesc diviziunea celulară pentru a se reproduce, în timp ce virușii se asamblează spontan în interiorul celulelor. Ele diferă de creșterea cristalelor autonome prin faptul că moștenesc mutații genetice și sunt supuse selecției naturale . Auto-asamblarea virușilor în celulele gazdă are implicații pentru studiul originii vieții , deoarece conferă o mai mare credință ipotezei că viața ar fi putut proveni din molecule organice auto-asamblate. [58]

Structura

Diagrama cu privire la modul în care o capsidă este capabilă să construiască mai multe copii din doar două proteine

Virușii prezintă o mare diversitate de forme și dimensiuni, numite morfologii. În general, virușii sunt mult mai mici decât bacteriile. Majoritatea virusurilor studiate au un diametru cuprins între 20 și 300 nanometri . Unele filovirusuri ajung până la o lungime totală de 1400 nm, dar diametrul lor este de numai aproximativ 80 nm. [59] Majoritatea virușilor nu pot fi văzuți cu microscopul cu lumină și, prin urmare , este necesară microscopia electronică pentru a viziona virionii. [60] Pentru a crește contrastul dintre viruși și fundal, se folosesc „coloranți” densi de electroni. Acestea sunt soluții de săruri de metale grele, cum ar fi tungstenul , care dispersează electronii. Când virionii sunt acoperiți cu această pată (colorare pozitivă), micile detalii sunt ascunse. Colorarea negativă depășește această problemă colorând doar fundalul. [61]

Structură icosaedrică

O particulă virală completă, cunoscută sub numele de virion, este alcătuită din acid nucleic înconjurat de un strat protector format din proteine ​​numite capsidă . Aceasta se face din subunități proteice identice numite capsomeri . [62] Virușii pot avea un „buzunar” lipidic derivat din membrana celulei gazdă. Capsidul este format din proteine ​​codificate de genomul viral și forma sa servește ca bază pentru distincția morfologică. [63] [64] Pentru ca subunitățile de proteine ​​virale codificate să se auto-asambleze pentru a forma capsida, prezența genomului viral este în general necesară. Virușii complecși codifică proteinele care ajută la construirea capsidei lor. Proteinele asociate cu acidul nucleic sunt cunoscute sub numele de nucleoproteine, iar asocierea proteinelor capsidei virale cu acidul nucleic viral se numește nucleocapsidă . Capsida și întreaga structură a virusului pot fi sondate fizic prin microscopul de forță atomică . [65] [66] În general, virușii pot fi împărțiți în cinci tipuri morfologice:

Elicoidale

Acești viruși sunt compuși dintr-un singur tip de capsomer stivuit în jurul unei axe centrale, formând o structură elicoidală , care poate avea o cavitate centrală. Acest aranjament implică virioni în formă de tijă sau filamente: acestea pot fi scurte și extrem de rigide sau lungi și foarte flexibile. Materialul genetic, în general, ARN monocatenar, dar în unele cazuri și ADN monocatenar, este legat în helixul proteic de interacțiunile dintre acidul nucleic încărcat negativ și sarcinile pozitive plasate pe proteină. În general, lungimea unei capside elicoidale este legată de lungimea acidului nucleic conținut în acesta și diametrul depinde de mărimea și dispunerea capsomerilor. Virusul mozaicului tutunului este un exemplu bine analizat de virus elicoidal. [67]
Exemple de viruși cu geometrie icosaedrică:
A. Virus fără membrană;
B. Virusul membranei.

1. Capsidă;
2. Acid nucleic;
3. Capsomer;
4. Nucleocapsidă;
5. Virion;
6. Acoperire cu proteine;
7. Acoperire cu glicoproteine.

Icosaedru

Majoritatea virusurilor care afectează animalele sunt icosaedrice sau aproape sferice în morfologie cu simetrie icosaedrică. Un icosaedru obișnuit este un mod optim de a forma o coajă închisă din subunități identice. Numărul minim de capsomeri identici necesari este de doisprezece, fiecare constând din cinci subunități identice. Mulți viruși, cum ar fi rotavirusul , au mai mult de doisprezece capsomeri și apar sferici în timp ce mențin această simetrie. Capsomerii de la vârfuri sunt înconjurați de alți cinci capsomeri și se numesc pentoni . Capsomerii de pe fețele triunghiulare sunt înconjurați de alți șase și sunt numiți exoni. [68] Exonii sunt în esență plate, în timp ce pentonii care formează cei 12 vârfuri sunt curvilinii. Aceeași proteină poate acționa ca subunități atât în ​​pentoni cât și în exoni sau pot fi compuse din proteine ​​diferite.

Ovoid

Este o formă alungită de icosaedru de aproximativ cinci ori de-a lungul axei și este tipică pentru capetele de bacteriofagi. Această structură constă dintr-un cilindru cu o capsulă la ambele capete. [69]

Carcasă

Unele specii de virusuri se învelesc într-o formă modificată a uneia dintre membranele celulare, fie membrana exterioară care înconjoară celula gazdă infectată, fie membranele interioare, cum ar fi membrana nucleară sau reticulul endoplasmatic , obținând astfel un strat strat lipidic extern cunoscut sub numele de pericapsidă sau plic viral. Această membrană este împânzită cu proteine ​​codificate de genomul viral și genomul gazdei; membrana lipidică în sine și orice carbohidrați prezenți provin în totalitate de la gazdă. Virusul gripal și virusul HIV folosesc această strategie. Infectivitatea majorității acestor viruși depinde de învelișul lor. [70]

Complex

Acești viruși posedă o capsidă care nu este nici pur elicoidă, nici pur icosaedrică și care poate avea structuri suplimentare, cum ar fi cozile de proteine ​​sau un perete exterior complex. Unii bacteriofagi, cum ar fi, bacteriofagul t4 au o structură complexă constând dintr-un cap icosaedric asociat cu o coadă elicoidală, care poate avea o placă de bază hexagonală cu o coadă proteică proeminentă. Această structură a cozii acționează ca o seringă moleculară, atașându-se la bacteria gazdă și apoi injectând genomul viral în celulă. [71]

Poxvirusurile sunt virusuri mari și complexe, cu o morfologie neobișnuită. Genomul viral este asociat cu proteinele dintr-o structură centrală a discului cunoscută sub numele de nucleoid. Nucleoidul este înconjurat de o membrană și de două corpuri laterale cu funcție necunoscută. Virusul are un înveliș exterior cu un strat foarte gros de proteine ​​împânzit pe suprafața sa. Întregul virion este ușor pleimorf , cu o formă ovoidală. [72] Mimivirusul este unul dintre cei mai mari viruși caracterizați, cu un diametru al capsidei de 400 nm. I filamenti di proteine, si proiettano di 100 nm dalla superficie. Al microscopio elettronico, il capside appare esagonale, quindi è probabilmente icosaedrico. [73] Nel 2011, i ricercatori hanno scoperto il più grande virus fino allora conosciuto in campioni di acqua prelevati dal fondo dell' oceano Pacifico al largo della costa di Las Cruces , in Cile . Provvisoriamente chiamato Megavirus chilensis , può essere visto con un microscopio ottico di base. [74] Nel 2013, il genere pandoravirus è stato scoperto in Cile e in Australia e possiede un genoma circa due volte più grande del megavirus chilensis e del mimivirus . [75]

Alcuni virus in grado di infettare gli Archaea hanno strutture complesse che sono estranee a qualsiasi altra forma di virus, con una grande varietà di forme insolite, che vanno da strutture a forma di fuso, ai virus che assomigliano ad aste uncinate o anche a bottiglie. Altri virus archeali assomigliano alla coda dei batteriofagi e possono avere strutture multiple di coda. [76]

Genoma

Diversità genomica tra i virus
Proprietà Parametri
Acido nucleico
  • DNA
  • RNA
  • Sia DNA sia RNA (nelle diverse fasi del ciclo di vita)
Forma
  • Lineare
  • Circolare
  • Segmentata
Catene
  • Catena singola
  • Doppia catena
  • Doppia catena con sezione a singola catena
Senso
  • Senso positivo (+)
  • Senso negativo (−)
  • Ambisenso (+/−)

Un'enorme varietà di strutture genomiche possono essere riscontrate tra le specie virali; come gruppo, essi contengono una diversità genomica strutturale maggiore rispetto alle piante, agli animali, agli archeobatteri o ai batteri. Vi sono milioni di diverse specie di virus, [5] anche se solo circa 5 000 specie sono stati descritte in dettaglio. [4] A settembre 2015, il database NCBI dei genoma dei virus contava più di 75 000 sequenze genomiche complete [77] , ma senza dubbio ve ne sono molte di più ancora da scoprire. [78]

Un virus può essere dotato di un genoma a DNA o uno a RNA e pertanto vengono denominati rispettivamente virus a DNA o virus a RNA; la stragrande maggioranza sono a RNA. I virus delle piante tendono ad avere genomi composti da un singolo filamento di RNA mentre i batteriofagi spesso hanno un genoma a DNA a doppia elica. [79]

I genomi virali possono essere circolari, come nel poliomavirus , o lineari come negli adenovirus . Il tipo di acido nucleico è irrilevante per la forma del genoma. Tra virus a RNA e certi virus a DNA, il genoma è spesso diviso in parti distinte, nel qual caso esso è chiamato "segmentato". Per i virus a RNA, ogni segmento spesso codifica per una sola proteina e si trovano solitamente in un unico capside. Tuttavia, non è necessario che tutti i segmenti siano nello stesso virione perché il virus sia infettivo, come dimostrato dal virus del mosaico del tabacco e da molti altri virus delle piante. [59]

Un genoma virale, indipendentemente dal tipo di acido nucleico, è a singolo filamento oppure a doppio filamento. Genomi a singolo filamento consistono di un acido nucleico spaiato. Genomi a doppio filamento sono costituiti da due acidi nucleici complementari accoppiati. Quasi tutti i virus hanno un solo tipo di filamento, singolo oppure doppio, tuttavia alcune famiglie di virus, come quelli appartenenti agli Hepadnaviridae , contengono entrambi i tipi di filamento: ovvero hanno un genoma che è parzialmente a singolo filamento e parzialmente a doppio filamento. [79]

Per la maggior parte dei virus con genoma a RNA e alcuni con genomi a DNA a singolo filamento, i singoli filamenti sono classificati a senso-positivo (chiamato filamento positivo ) o senso-negativo (chiamato filamento negativo ), a seconda se sono complementari all' RNA messaggero virale (mRNA). L'RNA virale a senso positivo è nello stesso senso dell'mRNA virale e quindi almeno una parte di esso può essere tradotto immediatamente dalla cellula ospite. L'RNA virale a senso negativo è complementare all'mRNA e quindi deve essere convertito in RNA a senso-positivo tramite una RNA polimerasi RNA-dipendente prima della traduzione. La nomenclatura dei virus DNA con un genoma a un solo senso ssDNA è simile alla nomenclatura RNA, in quanto il filamento stampo per l'mRNA virale è complementare a esso (-) e il filamento codificante è una copia (+). [59] Tuttavia, diversi tipi di virus ssDNA e ssRNA hanno genomi che sono ambisenso e che la trascrizione può verificarsi fuori da entrambi i filamenti in un doppio filamento replicativo intermedio. Gli esempi includono i geminivirus , che sono i virus ssDNA delle piante e molti arenavirus che sono i virus ssRNA degli animali. [80]

La dimensione del genoma varia notevolmente tra le specie. I genomi virali più piccoli, i circoviruses ssDNA della famiglia dei circoviridae , codificano solo per due proteine e hanno una dimensione del genoma di due sole kilobase; [81] il più grande dei pandoravirus possono avere dimensioni del genoma di circa due megabasi che codificano per circa 2500 proteine. [82]

In generale, i virus a RNA hanno dimensioni del genoma più piccoli rispetto ai virus a DNA a causa di un più alto tasso di errore durante la replica e hanno un limite di dimensione massima superiore. [34] Al di là di questo limite, gli errori nel genoma durante la replica rendono il virus inutile o non infettivo. Per compensare questo, i virus a RNA spesso hanno un genoma segmentato: il genoma risulta pertanto diviso in molecole più piccole, riducendo così la possibilità che un errore in un singolo componente inabiliti l'intero genoma. Al contrario, i virus a DNA, in genere, possiedono genomi più grandi a causa della alta fedeltà dei loro enzimi di replicazione. [83] I virus a DNA a singolo filamento sono un'eccezione a questa regola, tuttavia, i tassi di mutazione di questi genomi possono avvicinarsi al caso estremo dei virus ssRNA. [84]

Mutazioni genetiche

Come una mutazione o un riordinamento, possono portare a ceppi nuovi e altamente patogeni di influenza umana

I virus subiscono mutazioni genetiche attraverso diversi meccanismi. Tra questi, un processo chiamato deriva antigenica le cui basi individuali nel DNA o RNA mutano altre basi. La maggior parte di queste mutazioni puntiformi sono "silenziose", ovvero non cambiano la proteina che il gene codifica. Ma altri possono conferire vantaggi evolutivi quali la resistenza ai farmaci antivirali . [85] [86] Lo spostamento antigenico si verifica quando vi è un cambiamento importante nel genoma del virus. Questo può essere il risultato di una ricombinazione o un riassortimento. Quando questo accade con i virus influenzali, possono verificarsi le pandemie . [87] I virus a RNA spesso esistono come quasispecie o sciami di virus della stessa specie, ma con una sequenza nucleotidica leggermente diversa del genoma. Tali quasispecie sono un obiettivo primario per la selezione naturale. [88]

Sequenze di genomi conferiscono vantaggi evolutivi; diversi ceppi di un virus con un genoma segmentato possono mischiare e combinare i geni e quindi produrre prole virus con caratteristiche uniche. Questo è chiamato riassortimento. [89]

La ricombinazione genetica è il processo mediante il quale un filamento di DNA viene rotto per poi essere unito al termine di una diversa molecola di DNA. Questo può verificarsi quando i virus infettano cellule simultaneamente e studi riguardanti l'evoluzione virale hanno dimostrato che la ricombinazione è stata molto frequente nelle specie studiate. [90] La ricombinazione è comune a entrambi i virus, sia a RNA sia a DNA. [91] [92]

Ciclo di replicazione

I virus non sono in grado di riprodursi attraverso la divisione cellulare poiché non sono cellule. Pertanto sfruttano il metabolismo e le risorse di una cellula ospite per produrre copie multiple di sé che si assemblano nella cellula.

Il ciclo di vita dei virus varia molto attraverso le diverse specie, ma vi sono sei fasi fondamentali: [93]

Un tipico ciclo di replicazione virale
Alcuni batteriofagi iniettano il loro genoma nelle cellule batteriche (non in scala)
  • L' attaccamento è un legame tra le proteine del capside virale e specifici recettori che si trovano sulla superficie cellulare sulla cellula ospite. La presenza di dati recettori sulla superficie determina la gamma degli ospiti di un virus. Ad esempio, l' HIV infetta una gamma limitata di leucociti umani. Questo perché le sue proteine di superficie, gp120 , interagiscono specificamente con la molecola CD4 , un recettore delle chemochine , che frequentemente si trova sulla superficie dei linfociti T . Questo meccanismo si è evoluto in modo da favorire quei virus che infettano solo le cellule in cui sono in grado di replicarsi. Il recettore attaccato può indurre la proteina dell'involucro virale a subire cambiamenti che si traducono nella fusione tra le membrane virali e cellulari, o cambiamenti alle proteine senza involucro di superficie del virus che non gli permettono di entrare.
  • L' ingresso segue l'attaccamento: virioni entrano nella cellula ospite mediante endocitosi mediata da recettori o attraverso la fusione delle membrane. Questo è spesso chiamato ingresso del virus. L'infezione delle cellule delle piante e dei funghi è diversa da quella delle cellule animali. Le piante hanno una parete cellulare rigida formata da cellulosa , mentre i funghi una di chitina , quindi la maggior parte dei virus possono entrare all'interno di queste cellule solo dopo aver perpetrato una rottura alla parete cellulare. [94] Tuttavia, quasi tutti i virus delle piante (come il virus mosaico del tabacco) possono anche passare direttamente da cellula a cellula, sotto forma di complessi a singolo filamento nucleoproteici, attraverso i pori chiamati plasmodesmi . [95] I batteri, come le piante, hanno pareti cellulari che un virus deve violare per infettare la cellula. Tuttavia, dato che le pareti delle cellule batteriche sono molto meno spesse delle pareti cellulari delle piante, per via delle loro dimensioni molto più piccole, alcuni virus possiedono evoluti meccanismi che iniettano il loro genoma nella cellula batterica attraverso la parete cellulare, mentre il capside virale rimane all'esterno. [96]
  • L' uncoating è un processo in cui il capside virale viene rimosso: questo può essere dovuto alla degradazione da parte degli enzimi virali o agli enzimi ospiti o per semplice dissociazione; il risultato finale è la liberazione dell'acido nucleico genomico virale.
  • La replicazione dei virus coinvolge principalmente la moltiplicazione del genoma. La replica consiste nella sintesi dell'RNA messaggero (mRNA) virale dai geni " early " (con eccezioni per i virus RNA a senso positivo), la sintesi proteica virale, il possibile montaggio delle proteine virali, quindi la replicazione del genoma virale. Questo può essere seguito, per i virus più complessi con genomi più grandi, da parte di uno o più cicli di sintesi di mRNA.
  • Assemblaggio , dopo l'auto-assemblaggio struttura-mediata delle particelle virali, alcune modifiche delle proteine si verifica spesso. Nei virus come l'HIV, questa modifica (a volte chiamato la maturazione) avviene dopo che il virus è stato rilasciato dalla cellula ospite. [97]
  • Rilascio , i virus possono essere rilasciati dalla cellula ospite per lisi , un processo che uccide la cellula rompendo la sua membrana e la parete cellulare, se presenti: questo avviene in molti batteri e di alcuni virus animali. Alcuni virus subiscono un ciclo lisogenico in cui il genoma virale è incorporato mediante la ricombinazione genetica in un luogo specifico dei cromosomi dell'ospite. Il genoma virale è quindi noto come " provirus " o, nel caso di un batteriofago " profago ". [98] Ogni volta che l'ospite si divide, anche il genoma virale viene replicato. Il genoma virale è per lo più silente all'interno dell'ospite. Tuttavia, a un certo punto, il provirus o profago possono dar luogo al virus attivo, che può lisare le cellule ospiti. [99] I virus capsulati (ad esempio, l'HIV) di solito vengono rilasciati dalla cellula ospite per gemmazione. Durante questo processo il virus acquisisce il suo involucro, che è una parte modificata del plasma dell'ospite o della membrana interna. [100]

Il materiale genetico all'interno delle particelle del virus e il metodo con cui il materiale viene replicato, varia notevolmente tra i diversi tipi di virus.

Virus a DNA

La replicazione del genoma della maggior parte dei virus a DNA avviene nel nucleo della cellula. Se la cellula possiede il recettore appropriato sulla sua superficie, questi virus entrano, a volte, nella cellula per fusione diretta con la membrana cellulare (per esempio, l' herpes virus) o, più spesso. per endocitosi mediata da recettori. La maggior parte dei virus a DNA dipendono interamente dal DNA della cellula ospite e dai suoi strumenti di sintesi e lavorazione dell'RNA. Tuttavia, virus dotati di genomi più grandi, possono codificare gran parte di questi stessi strumenti. Negli eucarioti, il genoma virale deve attraversare la membrana nucleare della cellula per accedere ai meccanismi di replicazione, mentre nei batteri deve solo entrare nella cellula. [101]

Virus a RNA

La replicazione di solito avviene nel citoplasma . I virus a RNA possono essere classificati in quattro gruppi differenti in base alle modalità di replicazione. La polarità (se può o non può essere utilizzata direttamente dai ribosomi per produrre proteine) dei virus a singolo filamento di RNA determina in gran parte il meccanismo di replicazione; l'altro criterio principale è se il materiale genetico è a singolo o doppio filamento. Tutti i virus a RNA utilizzano i propri enzimi RNA replicasi per creare copie dei loro genomi. [102]

Virus a trascrizione inversa

I virus a trascrizione inversa, possiedono ssRNA ( Retroviridae , Metaviridae , Pseudoviridae ) o dsDNA ( Caulimoviridae , Hepadnaviridae ) nelle loro particelle. Quelli con genomi a RNA ( retrovirus ), utilizzano un intermedio del DNA per replicare, mentre quelli con genomi di DNA ( pararetroviruses ) utilizzano un intermedio di RNA durante la replicazione del genoma. Entrambi i tipi utilizzano una trascrittasi inversa , o un enzima DNA polimerasi (RNA-dipendente) per effettuare la conversione dell'acido nucleico. I retrovirus integrano il DNA prodotto dalla trascrizione inversa nel genoma dell'ospite come provirus come parte del processo di replica; tuttavia, i pararetroviruses non lo fanno, anche se copie del genoma di particolari pararetroviruses infiltrati nei vegetali possono dar luogo a virus infettivo. [103] Essi sono suscettibili di farmaci antivirali che inibiscono l'enzima della trascrittasi inversa, ad esempio, la zidovudina e la lamivudina . Un esempio del primo tipo è l'HIV, che è un retrovirus . Esempi del secondo tipo sono il l' hepadnaviridae , che comprende il virus dell'epatite B. [104]

Effetti sulla cellula ospite

Vi è un'ampia serie di effetti strutturali e biochimici che i virus producono sulla cellula ospite. [105] Questi sono chiamati effetti citopatici . [106] La maggior parte delle infezioni da virus alla fine provocano la morte della cellula ospite. Le cause di morte sono la lisi cellulare, le alterazioni della membrana superficie della cellula e l' apoptosi . [107] Spesso la morte delle cellule è causata dalla cessazione delle sue normali attività a causa della soppressione da parte delle proteine specifiche del virus, che non tutti sono componenti della particella virale. [108]

Alcuni virus non provocano cambiamenti apparenti alla cellula infettata. Le cellule in cui il virus è latente e inattivo mostrano pochi segni di infezione e spesso vivono normalmente. [109] Ciò provoca infezioni persistenti e il virus rimane spesso in sospeso per molti mesi o anni. Ciò avviene frequentemente, ad esempio, con l' herpes virus . [110] [111] Alcuni virus, come il virus di Epstein-Barr, possono indurre le cellule a proliferare senza provocare malignità, [112] mentre altri, come il papillomavirus , sono cause ormai stabilite di insorgenza di tumori . [113]

Gamma degli ospiti

I virus sono di gran lunga le più abbondanti entità biologiche sulla Terra e superano tutte le altre messe insieme. [114] Essi sono in grado di infettare tutti i tipi di vita cellulare, tra cui animali , piante , batteri e funghi . [4] Tuttavia, le diverse tipologie di virus possono infettare solo una gamma limitata di ospiti e molti sono specie-specifici. Alcuni, come il virus del vaiolo , ad esempio, possono infettare solo una specie, in questo caso l'uomo, [115] e pertanto si dice che hanno una gamma di ospiti potenziali ristretta. Altri virus, come il virus della rabbia , possono infettare diverse specie di mammiferi e si dice che hanno una gamma di ospiti vasta. [116] I virus che infettano le piante sono innocui per gli animali e la maggior parte dei virus che infettano gli altri animali sono innocui per gli esseri umani. [117] La gamma dei possibili ospiti di alcuni batteriofagi è limitata a un unico ceppo di batteri e possono essere usati per rintracciare la fonte di focolai di infezioni, tramite un metodo chiamato fagotipizzazione . [118]

Classificazione

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Classificazione dei virus .

La classificazione cerca di descrivere la diversità dei virus nominandoli e raggruppandoli sulla base di somiglianze. Nel 1962, André Lwoff , Robert W. Horne e Paul Tournier per primi svilupparono un sistema di classificazione dei virus, in base al sistema gerarchico di Linneo . [119] Questo approccio si basa sul phylum , sulla classe , sull' ordine , sulla famiglia , sul genere e sulla specie . I virus sono stati raggruppati in base alle loro proprietà condivise (non quelle dei loro ospiti) e al tipo di acido nucleico che forma i loro genomi. [120] In seguito l' International Committee on Taxonomy of Viruses è stato costituito.

Classificazione ICTV

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: International Committee on Taxonomy of Viruses .

L' International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) ha sviluppato l'attuale sistema di classificazione e ha formulato le linee guida che attribuiscono un peso maggiore ad alcune proprietà virali per mantenere l'uniformità della famiglia. È stata istituita un tassonomia unificata (un sistema universale di classificazione per i virus). Il rapporto lCTV 9 [121] definisce il concetto di specie virale come il gruppo più basso nella gerarchia della ramificazione dei virus. [122] Tuttavia solo una piccola parte dei virus è stata studiata, con analisi di campioni provenienti da esseri umani che hanno dimostrato che il 20% circa delle sequenze virali recuperate non sono mai state viste prima, mentre campioni provenienti dall'ambiente, come dall'acqua di mare e sedimenti oceanici hanno rivelato la presenza di una grande maggioranza di sequenze totalmente nuove. [123]

La struttura tassonomica generale è la seguente:

Dominio ( -viria )
Sottodominio ( -vira )
Regno ( -viriae )
Sottoregno ( -virites )
Phylum ( -viricota )
Subphylum ( -viricotina )
Classe ( -viricetes )
Sottoclasse ( -viricetidae )
Ordine ( -virales )
Sottordine ( -virineae )
Famiglia ( -viridae )
Sottofamiglia ( -virinae )
Genere ( -virus )
Sottogenere ( -virus )
Specie

Nell'attuale (2019) tassonomia ICTV, sono stati istituiti quattro domini: Duplodnaviria , Monodnaviria , Riboviria e Varidnaviria , cui si aggiungono altri virus non assegnati a nessun dominio. Il comitato non è responsabile della nomenclatura e della classificazione dei virus sotto il rango di specie , cioè di sottospecie , varietà , isolati , genotipi e sierotipi . Le regole di nomenclatura e tassonomia dell'ICTV sono riportate nell'International Code of Virus Classification and Nomenclature (ICVCN). In totale vi sono 7 ordini, 103 famiglie, 22 sottofamiglie, 455 generi, circa 2.827 specie e oltre 4.000 tipi non ancora classificati. [121] [124] [125]

Classificazione di Baltimore

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Classificazione di Baltimore .
La classificazione di Baltimore è basata sul metodo della sintesi dell' mRNA virale

Il biologo premio Nobel David Baltimore ha ideato il sistema di classificazione di Baltimore . [31] [126]

La classificazione dei virus di Baltimore è basato sul meccanismo di produzione di mRNA . I virus devono generare mRNA dai loro genomi per produrre proteine e replicarsi, ma diversi meccanismi sono utilizzati per raggiungere questo obiettivo in ogni famiglia di virus. I genomi virali possono essere a singolo filamento (ss) o doppio filamento (ds), RNA o DNA, e possono o non possono utilizzare la trascrittasi inversa (RT). Inoltre, i virus ssRNA possono essere sia senso (+) sia antisenso (-). Questa classificazione pone i virus in sette gruppi:

Come esempio di classificazione virale, il virus della varicella , il varicella zoster (VZV), appartiene all'ordine Herpesvirales , famiglia Herpesviridae , sottofamiglia Alphaherpesvirinae e genere Varicellovirus . VZV è nel gruppo I della classificazione Baltimore perché è un virus dsDNA che non utilizza la trascrittasi inversa.

Ruolo nelle malattie umane

Panoramica dei principali tipi di infezioni virali e le specie più importanti coinvolte [127]

Esempi di comuni malattie umane causate da virus includono il raffreddore comune , l' influenza , la varicella e l' herpes labiale . Vi sono anche gravi condizioni, come l' AIDS , la malattia da virus Ebola , l' influenza aviaria , la SARS e la COVID-19 che sono causate da virus. La capacità relativa di un virus di causare una malattia è descritta in termini della sua virulenza . Altre patologie sono tutt'oggi indagate per scoprire se hanno un virus come agente causale, come ad esempio se vi sia una possibile connessione tra l' herpesvirus umano 6 (HHV-6) e malattie neurologiche come la sclerosi multipla e la sindrome da affaticamento cronico . [128] Vi sono accesi dibattiti sulla possibilità che il bornavirus , ritenuto causa di malattie neurologiche nei cavalli , possa essere anche responsabile per alcune malattie psichiatriche negli esseri umani. [129]

I virus hanno differenti meccanismi per cui causano una malattia in un organismo, i quali dipendono in larga misura dalla specie virale. Meccanismi a livello cellulare comprendono principalmente la lisi cellulare, che comporta la rottura della cellula e la sua conseguente morte. Negli organismi pluricellulari, se un numero abbastanza consistente di cellule muoiono, l'intero organismo incomincerà a subirne gli effetti. Sebbene i virus causino la perdita dell' omeostasi , con conseguente insorgenza di una malattia, possono esisterne di relativamente innocui all'interno di un organismo. Un esempio potrebbe includere la capacità del virus dell'herpes simplex , responsabile dell'herpes labiale, di rimanere in uno stato inattivo nel corpo umano, una condizione denominata di "latenza" [130] che è una caratteristica dei virus herpes, tra cui il virus di Epstein-Barr , che provoca la febbre ghiandolare , e del virus della varicella-zoster , causa della varicella e dell' herpes zoster . La maggior parte delle persone al mondo, nella loro vita, sono state infettate con almeno uno di questi tipi di herpes virus . [131] Tuttavia, questi virus latenti possono talvolta essere utili, infatti la presenza del virus può aumentare l'immunità contro alcuni batteri patogeni, come lo Yersinia pestis . [132]

Alcuni virus possono causare un'infezione permanente o cronica, in cui i virus continuano a replicarsi nel corpo, nonostante i meccanismi di difesa dell'ospite. [133] Questo è comune nei virus dell'epatite B e nelle infezioni da virus dell'epatite C . Le persone con una infezione cronica sono note come vettori, in quanto fungono da serbatoi del virus infettivo. [134] Nelle popolazioni con un'alta percentuale di portatori, la malattia si dice che sia endemica . [135]

Epidemiologia

L' epidemiologia virale è una branca della scienza medica che si occupa di studiare la trasmissione e controllare le infezioni da virus negli esseri umani. La trasmissione di virus può essere verticale, cioè da madre a figlio, o orizzontale, cioè da persona a persona. Esempi di trasmissione verticale comprendono il virus dell'epatite B e l'HIV, in cui il bambino nasce già infettato con il virus. [136] Un altro, più raro, esempio è il virus della varicella zoster, che, pur causando infezioni relativamente lievi negli esseri umani, può essere fatale per il feto e il neonato. [137]

La trasmissione orizzontale è il meccanismo più comune di diffusione del virus nelle popolazioni. La trasmissione può verificarsi quando vi è scambio di fluidi corporei durante un rapporto sessuale , come nel caso dell'HIV; o quando vi è contaminazione di sangue infetto come durante una trasfusione o con lo scambio di aghi, come spesso si riscontra nella trasmissione dell' epatite C ; lo scambio di saliva dalla bocca, per esempio può portare alla trasmissione del virus di Epstein-Barr ; il norovirus può trasmettersi con l'ingestione di cibo o acqua contaminati; il virus dell'influenza per inalazione; mentre insetti vettori, come le zanzare , trasmettono all'organismo ospite alcuni virus come quello della febbre dengue . Il tasso o la velocità di trasmissione delle infezioni virali dipende da vari fattori che includono la densità della popolazione, il numero dei soggetti suscettibili (cioè quelli che non immuni), [138] la qualità dell'assistenza sanitaria e il tempo. [139] Quando un focolaio d'infezione provoca una percentuale insolitamente alta di casi in una popolazione o in una regione si parla di epidemia . Se i focolai sono diffusamente distribuiti nel pianeta si parla di pandemia . [140]

Tramite l'epidemiologia si tenta di interrompere la catena delle infezioni durante le epidemie di malattie virali. [141] Le misure di controllo utilizzate si basano sulla conoscenza delle modalità di trasmissione del virus. È fondamentale trovare la fonte o le fonti del focolaio in modo da identificare il virus, la cui catena di trasmissione può talvolta essere interrotta grazie a vaccini . Quando questi non sono disponibili, misure di igiene e di disinfezione possono essere rimedi efficaci. Le persone infette possono essere isolate dal resto della comunità e quelle che sono state esposte al virus poste in quarantena . [142] Per controllare l'epidemia di afta epizootica del 2001 in Gran Bretagna sono stati abbattuti migliaia di bovini . [143] Le infezioni virali degli esseri umani e degli altri animali hanno periodi di incubazione [144] che variano da pochi giorni a settimane e sono noti per la maggior parte delle infezioni. [144] Con una piccola sovrapposizione, al termine del periodo di incubazione vi è il periodo di contagiosità, in cui un individuo infetto può trasmettere la malattia. [144] Anche questo periodo è noto per molte infezioni virali e la conoscenza della durata di entrambi i periodi è importante nel controllo dei focolai. [145]

Epidemie e pandemie

Le popolazioni dei nativi americani furono decimate dalle malattie contagiose, in particolare dal vaiolo , portate dai coloni europei in America. Non è chiaro quanti siano deceduti a causa delle malattie importate dagli stranieri dopo l'arrivo di Colombo , ma le stime indicano un possibile 70% della popolazione indigena. [ senza fonte ] Tutto ciò ha contribuito in modo significativo ai tentativi europei di spostare e sottomettere la popolazione nativa. [146]

Una pandemia è un'epidemia mondiale. La pandemia influenzale del 1918 (chiamata "influenza spagnola") che durò fino al 1919, fu catalogata come pandemia di livello 5, causata da un virus influenzale particolarmente aggressivo e mortale. Le vittime furono spesso giovani adulti sani, in contrasto con la maggior parte dei focolai di influenza che colpiscono prevalentemente i pazienti pediatrici, gli anziani o gli individui già indeboliti. [147] Le stime più datate indicano che questa pandemia abbia ucciso tra le 40 e le 50 milioni di persone, [148] mentre ricerche più recenti suggeriscono che tale dato potrebbe arrivare fino a 100 milioni di persone, il 5% della popolazione mondiale del 1918. [149]

La maggior parte dei ricercatori ritiene che l'origine del virus HIV sia nell' Africa sub-sahariana e che sia nato nel corso del XX secolo. [150] Anche la sua diffusione è oramai considerata una pandemia, con una stima di 38,6 milioni di persone infettate in tutto il mondo. [151] Le stime del Programma delle Nazioni Unite per l'AIDS/HIV (UNAIDS) e dell' Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) indicando che l' AIDS (la condizione dovuta al virus HIV) abbia ucciso più di 25 milioni di persone dal 5 giugno 1981, quando è stato riconosciuto, rendendola una delle epidemie più devastanti della storia. [152] Nel 2007 sono state stimate 2,7 milioni di nuove infezioni da HIV e 2 milioni di decessi correlati alla condizione. [153]

Diversi agenti patogeni virali altamente letali sono membri dei Filoviridae . I filovirus sono virus simili a filamenti che causano febbre emorragica , e comprendono l' Ebolavirus e il Marburgvirus . Il virus di Marburg, scoperto nel 1967, ha attirato l'attenzione dei media nel mese di aprile 2005 per un focolaio in Angola . [154] Il virus della malattia da virus Ebola ha causato epidemie intermittenti con alti tassi di mortalità, dal 1976 quando è stato identificato. Quella peggiore e più recente è stata l' epidemia di in Africa Occidentale del 2014 . [155]

Tumore

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Oncovirus .

Si è stabilito che i virus siano una causa di tumore negli esseri umani e in altre specie. Tuttavia, i tumori virali si verificano solo in una minoranza di persone (o animali) infette. I virus causa di tumore possono far parte di diverse famiglie di virus, compresi i virus a RNA e DNA e quindi non esiste un unico tipo di " oncovirus " (un termine ormai obsoleto). Lo sviluppo della neoplasia è determinato da una serie di fattori come ad esempio l'immunità dell'ospite [156] e le sue mutazioni . [157] I virus ritenuti in grado di provocare tumori negli umani comprendono alcuni genotipi di papillomavirus umano , il virus dell'epatite B , il virus dell'epatite C , il virus di Epstein-Barr , l' herpesvirus associato al sarcoma di Kaposi e il virus T-linfotropico dell'uomo . Il virus causa di tumore umano più recentemente scoperto è un poliomavirus ( poliomavirus delle cellule di Merkel ) che causa la maggior parte dei casi di una rara forma di tumore della pelle , chiamato carcinoma a cellule di Merkel . [158]

I virus dell'epatite possono sviluppare una infezione virale cronica che può portare al tumore del fegato . [159] [160] L'infezione da virus T-linfotropico dell'uomo può portare a paraparesi spastica tropicale e la leucemia a cellule T dell'adulto . [161] I papillomavirus umani sono una causa consolidata di tumori della cervice uterina , della pelle , dell' ano e del pene . [162] Gli Herpesvirus umano 8 provoca il sarcoma di Kaposi , mentre il virus di Epstein-Barr causa il linfoma di Burkitt , il linfoma di Hodgkin , disordini linfoproliferativi dei linfociti B e il carcinoma nasofaringeo . [163] Il poliomavirus delle cellule di Merkel è strettamente correlato al Simian virus 40 e al poliomavirus del topo; entrambi vengono utilizzati, da oltre 50 anni, come modelli animali per i virus tumorali. [164]

Meccanismi di difesa dell'ospite

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Sistema immunitario .

La prima linea di difesa dell'organismo contro i virus è il sistema immunitario innato . Questo comprende le cellule e gli altri meccanismi che difendono l'ospite da infezioni in modo non specifico. Ciò significa che le cellule del sistema innato riconoscono e rispondono agli agenti patogeni in modo generico ma, a differenza del sistema immunitario adattativo , esso non conferisce un'immunità duratura. [165]

L'interferenza dell'RNA è un importante difesa innata contro i virus. [166] Molti virus adottano una strategia di replica che coinvolge l'RNA a doppio filamento (dsRNA). Quando un virus infetta una cellula, rilascia la sua molecola di RNA che si lega immediatamente a un complesso proteico chiamato ribonucleasi III che taglia l'RNA in pezzi più piccoli. Un percorso biochimico, il complesso RISC , si attiva assicurando la sopravvivenza cellulare degradando l'mRNA virale. I rotavirus si sono evoluti per evitare questo meccanismo di difesa evitando di tagliare completamente l'RNA all'interno della cellula ma rilasciando una nuova produzione di mRNA attraverso i pori del capside interno della particella. In questo modo il loro dsRNA genomico resta protetto all'interno del nucleo del virione. [167] [168]

Quando il sistema immunitario adattativo di un vertebrato incontra un virus, produce anticorpi specifici che si legano a esso e spesso sono in grado di renderlo non infettivo. Ciò è chiamata immunità umorale . Due tipi di anticorpi sono importanti. I primi, chiamati IgM , sono altamente efficaci nel neutralizzare i virus, ma vengono prodotti dalle cellule del sistema immunitario solo per poche settimane. I secondi, chiamati IgG , vengono prodotti di continuo. La presenza di IgM nel sangue dell'ospite viene utilizzato per diagnosticare la presenza di una infezione acuta, mentre le IgG indicano un'infezione passata. [169] Quando i test di immunità vengono effettuati, vengono misurati gli anticorpi IgG. [170]

Gli anticorpi possono continuare a essere un meccanismo di difesa efficace anche dopo che i virus sono riusciti a ottenere l'ingresso nella cellula ospite. Una proteina presente nelle cellule, chiamata TRIM21 , è in grado di legarsi agli anticorpi sulla superficie della particella virale. Questo innesca la successiva distruzione del virus da parte degli enzimi del proteosoma della cellula. [171]

Una seconda difesa dei vertebrati contro i virus, si chiama immunità cellulo-mediata e coinvolge le cellule immunitarie conosciute come cellule T . Le cellule del corpo mostrano costantemente brevi frammenti delle loro proteine sulla superficie della cellula e se una cellula T riconosce un frammento virale sospetto, la cellula ospite viene distrutta dalle cellule T killer e le cellule T virus-specifiche proliferano. Le cellule, come i macrofagi sono specialisti in questa presentazione dell'antigene. [172] La produzione di interferone è anch'esso un importante meccanismo di difesa dell'ospite. Questo è un ormone prodotto dal corpo quando vi è la presenza di virus. Il suo ruolo nel sistema immunitario è complesso; ma sostanzialmente mette fine alla riproduzione del virus, uccidendo la cellula infetta e le sue vicine. [173]

Non tutte le infezioni da virus producono una risposta immunitaria protettiva in questo modo. L' HIV elude il sistema immunitario cambiando continuamente la sequenza aminoacidica delle proteine sulla superficie del virione. Questa tecnica è nota come "mutazione di fuga". Questi virus persistono nell'eludere il sistema immunitario, attraverso il sequestro e blocco della presentazione dell'antigene, la resistenza alle citochine , l'evasione delle attività delle cellule natural killer , evitare l' apoptosi e la sostituzione antigenica . [174] Altri virus, chiamati virus neurotropi , sfruttano la diffusione neurale in cui il sistema immunitario potrebbe non essere in grado di raggiungerli.

Prevenzione e trattamento

Poiché i virus utilizzano vie metaboliche vitali all'interno cellule ospiti per replicarsi, essi risultano difficili da eliminare senza usare farmaci che causino effetti tossici alle cellule dell'ospite. Gli approcci medici più efficaci per le malattie virali sono le vaccinazioni , in grado di fornire l'immunità alle infezioni, ei farmaci antivirali che interferiscono selettivamente con la replicazione del virus.

Vaccini

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Vaccinazione .

La vaccinazione è un modo economico ed efficace per prevenire le infezioni da virus. I vaccini sono stati usati per prevenire le infezioni virali molto prima della scoperta dei virus reali. Il loro utilizzo ha portato a un drastico calo della morbilità (l'ammalarsi) e della mortalità (morte) associate a infezioni virali come la poliomielite , il morbillo , la parotite e la rosolia . [175] Le infezioni di vaiolo sono state debellate. [176] A oggi, 2015, vi è la disponibilità di vaccini per oltre tredici infezioni virali che colpiscono gli esseri umani, [177] e molti altri vengono utilizzati per prevenire le infezioni virali degli animali. [178]

I vaccini possono essere costituiti da virus vivi, attenuati o morti, o da proteine virali ( antigeni ). [179] Le forme di vaccini vivi, contengono virus indeboliti che non causano la malattia ma, ciò nonostante, conferiscono l'immunità. I vaccini vivi possono essere pericolosi quando somministrati a persone con una debole immunità (individui immunocompromessi) poiché in queste persone il virus indebolito può provocare la malattia originale. [180] La biotecnologia e le tecniche di ingegneria genetica vengono utilizzate per la produzione di vaccini di subunità. Questi vaccini utilizzano solo le proteine del capside del virus. Il vaccino contro l'epatite B è un esempio di questo tipo di vaccino. [181] I vaccini di subunità sono sicuri per i pazienti immunocompromessi perché non possono in nessun modo provocare la malattia. [182] Il vaccino contro il virus della febbre gialla , un ceppo vivo attenuato e chiamato 17D, è probabilmente il più sicuro e il più efficace vaccino mai prodotto. [183]

Farmaci antivirali

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Farmaci antivirali .
Formula di struttura della guanosina (sopra) e del suo analogo aciclovir (sotto), utilizzato come farmaco antivirale

I farmaci antivirali sono spesso analoghi nucleosidici (costruzioni di DNA falso), che i virus erroneamente incorporano nei loro genomi durante la replicazione. Il ciclo di vita del virus viene bloccata perché il DNA di nuova sintesi risulta inattivo. Infatti in questi analoghi mancano i gruppi ossidrilici , che, insieme con gli atomi di fosforo , si collegano insieme per formare la forte "spina dorsale" della molecola di DNA. Ciò prende il nome di interruzione della catena del DNA. [184] Esempi di analoghi nucleosidici sono l' aciclovir per il Virus dell'herpes simplex e la lamivudina per le infezioni da virus HIV e epatite B. L'aciclovir è uno dei più antichi farmaci antivirali e più frequentemente prescritti. [185] Altri farmaci antivirali utilizzano come bersaglio diverse fasi del ciclo di vita del virus. L'HIV dipende da un enzima proteolitico chiamato HIV-1 proteasi per farlo diventare completamente infettivo. Vi è un vasto gruppo di farmaci, chiamati inibitori della proteasi , che inattivano questo enzima.

L'epatite C è causata da un virus a RNA. Nel 80% delle persone infette la malattia risulta cronica e in assenza di trattamento restano infetti per tutta la loro vita. Tuttavia, vi è ora un trattamento efficace che utilizza un analogo nucleosidico, la ribavirina , combinato con l' interferone . [186] Il trattamento dei portatori cronici del virus dell'epatite B utilizzando una strategia simile utilizzando la lamivudina . [187]

L'infezione in altre specie

I virus infettano tutta la vita cellulare anche se ogni specie ha una propria gamma di virus specifica in grado di infettarla. [188] Alcuni virus, chiamati satelliti, possono replicarsi solo all'interno delle cellule che sono già state infettate da un altro virus. [47]

Virus degli animali

I virus sono importanti patogeni del bestiame. Malattie come l' afta epizootica e la febbre catarrale dei piccoli ruminanti sono causati da virus. [189] Gli animali da compagnia, come gatti , cani e cavalli , se non vaccinati, sono suscettibili di gravi infezioni virali. Il Parvovirus canina è causata da un piccolo virus a DNA e le infezioni sono spesso fatali nei cuccioli. [190] Come tutti gli invertebrati , le api sono suscettibili di molte infezioni virali. [191] Tuttavia, la maggior parte dei virus coesistono con il loro ospite e non causano segni o sintomi di malattia. [16]

Virus delle piante

Peperoni infettati da virus

Vi sono molti tipi di virus in grado di infettare il mondo vegetale, tuttavia il più delle volte causano solo una perdita di rendimento della produzione dei frutti e quindi non è economicamente vantaggioso cercare di controllarli. Virus si diffondono da pianta a pianta attraverso organismi, noti come vettori. Solitamente questi sono insetti , ma anche alcuni funghi , vermi nematodi e organismi unicellulari hanno dimostrato di poter essere vettori. Quando il controllo delle infezioni nelle coltivazioni è ritenuta economica, ad esempio per gli alberi da frutta, gli sforzi sono concentrati sull'uccidere i vettori e rimuovere ospiti alternativi, come le erbacce. [192] I virus delle piante non possono infettare gli esseri umani e altri animali poiché sono in grado di riprodursi solo all'interno di una cellula vegetale. [193]

I vegetali possiedono elaborati meccanismi di difesa contro i virus. Uno dei più efficaci è la presenza del gene cosiddetto di resistenza (R). Ogni gene R conferisce una resistenza a un particolare virus attivando aree localizzate di morte cellulare intorno alla cellula infetta, che spesso possono essere viste a occhio nudo come grandi macchie. ciò permette di interrompere la diffusione dell'infezione. [194] L' interferenza RNA è anch'essa un'efficace difesa delle piante. [195] Quando sono infette, le piante spesso producono disinfettanti naturali che uccidono i virus, come l' acido salicilico , l' ossido nitrico e specie reattive dell'ossigeno . [196]

Le particelle dei virus delle piante hanno importanti applicazioni sia nelle biotecnologie sia nelle nanotecnologie . Nella maggior parte dei virus delle piante, i capsidi appaiono come strutture semplici e robuste che possono essere prodotte in grandi quantità, sia per l'infezione di piante o mediante l'espressione in una varietà di sistemi eterologhi. Le particelle dei virus delle piante possono essere modificati geneticamente e chimicamente per incapsulare materiale estraneo e possono essere incorporati in strutture supramolecolari per l'uso nel campo delle biotecnologie. [197]

Virus dei batteri

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Batteriofagi .
Micrografia a trasmissione elettronica di molteplici batteriofagi che attaccano una parete di un batterio

I batteriofagi (detti anche fagi) sono un gruppo comune e diversificato di virus e sono la forma più abbondante di entità biologica presente negli ambienti acquatici. Vi sono fino a dieci volte di questi virus negli oceani rispetto a quanti siano i batteri, [198] raggiungendo i valori di 250.000.000 batteriofagi per millilitro di acqua di mare. [199] Questi virus infettano batteri specifici legandosi ai recettori di superficie per poi entrare nella cellula. Nel giro di un breve lasso di tempo, in alcuni casi pochi minuti, la polimerasi batterica incomincia a tradurre l'mRNA virale in proteine. Queste proteine diventano sia nuovi virioni all'interno della cellula che aiutano il montaggio di nuovi virioni, sia proteine coinvolte nella lisi cellulare. Gli enzimi virali aiutano nella ripartizione della membrana cellulare, e, nel caso del fago T4, in poco più di venti minuti dopo l'infezione, oltre trecento fagi possono essere rilasciati. [200]

I principali batteri si difendono dai batteriofagi tramite la produzione di enzimi che distruggono il DNA estraneo. Questi enzimi, chiamati endonucleasi di restrizione , tagliano il DNA virale che batteriofagi iniettano nelle cellule batteriche. [201] I batteri contengono anche un sistema che utilizza sequenze CRISPR e che conserva frammenti del genoma dei virus che sono entrati in contatto con esso in passato; ciò gli consente di bloccare la replicazione del virus attraverso l' interferenza dell'RNA . [202] [203] Questo sistema genetico fornisce ai batteri una immunità acquisita alle infezioni.

Virus degli archaea

Alcuni virus si replicano all'interno archeobatteri : questi sono virus DNA a doppia elica con forme insolite e talvolta unici. [6] [76] Sono stati studiati in maggior dettaglio negli archeobatteri termofili, in particolare gli ordini Sulfolobales e Thermoproteales . [204] Difese contro questi virus possono comportare l' interferenza dell'RNA da sequenze ripetute di DNA all'interno di genomi archei che riguardano i geni dei virus. [205] [206]

Ruolo negli ecosistemi acquatici

Un cucchiaino di acqua di mare contiene circa un milione di virus. [207] La maggior parte di questi sono batteriofagi, che sono innocui per le piante e gli animali ma sono in realtà essenziali per la regolazione degli ecosistemi d'acqua salata e di acqua dolce. [208] Essi infettano e distruggono i batteri delle comunità microbiche acquatiche e sono il più importante meccanismo di riciclaggio del carbonio nell'ambiente marino. Le molecole organiche rilasciate dalle cellule batteriche morte stimolano la crescita di nuovi batteri e alghe . [209] l'attività virale può anche contribuire alla pompa biologica , il processo attraverso il quale carbonio viene immagazzinato nelle profondità dell'oceano. [210]

I microrganismi costituiscono più del 90% della biomassa marina. Si stima che i virus uccidano circa il 20% di questa biomassa ogni giorno e che vi sia un numero 15 volte maggiore di virus negli oceani rispetto ai batteri e agli archeobatteri. I virus sono i principali agenti responsabili della rapida distruzione delle fioriture algali nocive, [211] che spesso uccidono altre forme di vita marina. [212] Il numero di virus negli oceani diminuisce più ci si sposta verso il largo e più ci si immerge in profondità, dove si trovano meno organismi ospiti. [210]

Come ogni organismo, i mammiferi marini sono suscettibili alle infezioni virali. Nel 1988 e nel 2002, migliaia di foche sono state uccise in Europa dal virus phocine cimurro . [213] Molti altri virus, tra cui calicivirus , herpesvirus , adenovirus e parvovirus circolano nelle popolazioni di mammiferi marini. [210]

Ricercatori indiani suggeriscono che l'acqua del fiume Gange può rappresentare un'utile terapia nei confronti del COVID-19 . [214] Infatti questa è ricca di batteriofagi (si ritiene contienga circa 1.100 tipi di batteriofagi) [215] che sono presenti in essa per il graduale scioglimento del permafrost himalayano nel fiume. [216] Inoltre, l'acqua di questo fiume mostra un'elevata alcalinità e alcune delle sue proprietà autopurificanti contribuiscono alla crescita dei batteriofagi. [215]

Ruolo del permafrost

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Permafrost § Permafrost_e_virus .

Il riscaldamento climatico osservato in Siberia e nell' Artico e lo scongelamento del permafrost potrebbero comportare il rilascio di agenti patogeni intrappolati nel permafrost nell'atmosfera. Rappresentando un possibile meccanismo di genesi di virus che in futuro potrebbero emergere come conseguenza dello sviluppo del riscaldamento globale del nostro pianeta nei decenni a venire. [217]

Ruolo nell'evoluzione

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Trasferimento genico orizzontale .

I virus sono un importante mezzo naturale per il trasferimento di geni tra le diverse specie , aumentando la diversità genetica e la deriva evolutiva. [8] Si ritiene che i virus abbiano avuto un ruolo centrale nella prima evoluzione, prima che vi fosse la diversificazione dei batteri, degli Archea e degli eucarioti, nel momento in cui vi era sulla Terra l' ultimo antenato comune universale . [218] I virus sono ancora una delle più grandi riserve di diversità genetica inesplorate sulla Terra. [210]

Applicazioni

Scienze della vita e medicina

Uno scienziato intento a studiare il virus dell' influenza aviaria

I virus risultano importanti per lo studio della biologia molecolare e cellulare, in quanto forniscono sistemi semplici che possono essere utilizzati per manipolare e analizzare le funzioni delle cellule. [219] Lo studio e l'uso di virus hanno fornito preziose informazioni riguardo aspetti della biologia cellulare. [220] Ad esempio, i virus sono stati utili per lo studio della genetica e hanno aiutato a comprendere i meccanismi di base della genetica molecolare, come la replicazione del DNA , la trascrizione , l'elaborazione dell'RNA, la traduzione , il trasporto di membrana e l' immunologia .

I genetisti spesso usano virus come vettori per introdurre geni in cellule che stanno studiando. Ciò è utile per far sì che la cellula produca una sostanza estranea o per studiare l'effetto dell'introduzione di un nuovo gene nel genoma. In maniera simile, la viroterapia utilizza i virus come vettori per il trattamento di varie malattie in quanto sono in grado di incidere direttamente sulle cellule sul DNA. Questa tecnica sembra molto promettente nel trattamento dei tumori e nella terapia genica . Scienziati europei e orientali utilizzarono la terapia mediante i fagi come alternativa agli antibiotici per qualche tempo e l'interesse per questo approccio è in aumento per via dell'elevata resistenza antibiotica riscontrata in alcuni batteri patogeni. [221] L'espressione di proteine eterologhe da virus è la base di numerosi processi di fabbricazione che vengono utilizzati per la produzione di varie proteine, quali vaccini e anticorpi . Processi industriali sono stati recentemente sviluppati utilizzando vettori virali e un certo numero di proteine farmaceutiche sono in fase di studio clinico e pre-clinico. [222]

Viroterapia

La viroterapia consiste nell'uso di virus geneticamente modificati per il trattamento della malattie . [223] I virus vengono modificati dagli scienziati in modo da attaccare e riprodursi nelle cellule tumorali distruggendole, ma non infettando le cellule sane. Il Talimogene laherparepvec (T-VEC), per esempio, è un virus herpes simplex a cui un gene, utilizzato per replicarsi nelle cellule sane, è stato eliminato e sostituito con gene umano (GM-CSF) che stimola la risposta immunitaria. Quando questo virus infetta le cellule tumorali le distrugge e la presenza del gene GM-CSF attrae le cellule dendritiche dai tessuti circostanti del corpo. Le cellule dendritiche elaborano le cellule tumorali morte ei loro componenti vengono "segnalati" alle altre cellule del sistema immunitario. [224] Ci si aspetta che, una volta terminati con successo gli studi clinici, questo virus possa ottenere l'approvazione per il trattamento del melanoma , un tumore della pelle . [225] I virus che sono stati riprogrammati per uccidere le cellule tumorali vengono chiamati virus oncolitici . [226]

Scienza dei materiali e nanotecnologie

Le attuali ricerche nel campo delle nanotecnologie promettono di rendere molto versatile l'utilizzo di virus. Dal punto di vista di uno scienziato dei materiali, i virus possono essere considerati come nanoparticelle organiche. La loro superficie è in grado di trasportare strumenti specifici volti a superare le barriere delle loro cellule ospiti. La dimensione e la forma del virus, e il numero e la natura dei gruppi funzionali sulla loro superficie, è definita con precisione. Una particolare qualità dei virus è che possono essere personalizzati per evoluzione diretta. Le potenti tecniche sviluppate dalle scienze della vita stanno diventando la base di approcci ingegneristici verso i nanomateriali e l'apertura di una vasta gamma di applicazioni che vanno ben oltre la biologia e la medicina . [227]

Per via della loro dimensione, forma e struttura chimica ben definite, i virus sono stati utilizzati come modelli per l'organizzazione dei materiali su scala nanometrica. Esempi recenti includono il lavoro presso lo United States Naval Research Laboratory di Washington , con particelle del virus del mosaico del fagiolo dall'occhio (CPMV) utilizzate per amplificare i segnali dei sensori basati su microarray di DNA . In questa esempio, le particelle virali separano i coloranti fluorescenti utilizzati per la segnalazione per prevenire la formazione di dimeri non fluorescenti che agiscono come smorzatori . [228] Un altro esempio è l'uso di una basetta di CPMV come nanoscala per l'elettronica molecolare. [229]

Virus sintetici

Molti virus possono essere sintetizzati "da zero" e il primo virus sintetico è stato creato nel 2002. [230] In effetti non è il virus che viene sintetizzato, ma piuttosto il suo genoma DNA (in caso di un virus DNA) o una copia cDNA del suo genoma (in caso di virus a RNA). Per molte famiglie di virus sintetici a DNA o RNA (una volta enzimaticamente convertito indietro dal cDNA sintetico) sono infettivi quando vengono introdotti in una cellula, cioè contengono tutte le informazioni necessarie per produrre nuovi virus. Questa tecnologia viene ora utilizzata per studiare nuove strategie vaccinali. [231] Le intere sequenze del genoma di 3843 virus diversi sono accessibili al pubblico in una banca dati online gestita dal National Institutes of Health . [232]

Armi

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Guerra biologica .

La capacità dei virus di causare epidemie devastanti nelle società umane ha portato alla preoccupazione che essi possano essere utilizzati come armi per la guerra biologica . Ulteriore preoccupazione è stata sollevata dalla ricreazione con successo del pericoloso virus dell' influenza spagnola in un laboratorio. [233] Il virus del vaiolo ha decimato numerose popolazioni nel corso della storia, prima della sua eliminazione. Vi sono solo due centri al mondo autorizzati dall'OMS a mantenere le scorte di questo virus: l' Istituto VECTOR in Russia e il Centro per la prevenzione e il controllo delle malattie negli Stati Uniti. [234] La paura che esso possa essere utilizzato come arma non può essere del tutto infondata. [234] Poiché il vaccino antivaioloso ha dimostrato di avere talvolta gravi effetti collaterali , non è più somministrato di routine in tutto il mondo, cosicché gran parte della popolazione umana moderna non possiede quasi nessuna difesa contro il virus e sarebbe quindi vulnerabile di fronte a una sua ricomparsa. [234]

Note

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Bibliografia

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