De pandemie van het nieuwe coronavirus duurt twee maanden. Iedereen beschouwt zichzelf al als een expert op dit gebied. Wist u dat een virus niet kan worden gedood? Hij leeft niet, dus hij kan alleen worden gebroken, vernietigd. Het virus is geen wezen, maar eerder een stof. Maar tegelijkertijd kunnen virussen communiceren, samenwerken en zichzelf vermommen.
Het sociale leven van virussen
Wetenschappers ontdekten dit pas drie jaar geleden. Zoals vaak gebeurt, per ongeluk. Het doel van het onderzoek was om te testen of hooibacteriën elkaar kunnen waarschuwen voor een aanval van bacteriofagen, een speciale klasse van virussen die selectief bacteriën aanvallen. Nadat de bacteriofagen aan de hooibacillenbuizen waren toegevoegd, namen de onderzoekers de signalen op in een onbekende moleculaire taal. Maar de 'onderhandelingen' erover waren helemaal geen bacteriën, maar virussen.
Het bleek dat virussen hen na het binnendringen van bacteriën dwongen om te synthetiseren en speciale peptiden naar naburige cellen te sturen. Deze korte eiwitmoleculen gaven de rest van de virussen een signaal over de volgende succesvolle vangst. Toen het aantal signaalpeptiden (en dus gevangen cellen) een kritiek niveau bereikte, stopten alle virussen, alsof ze op commando waren, actief te delen en loerden ze. Als deze misleidende manoeuvre er niet was, zouden de bacteriën een collectieve afwijzing kunnen organiseren of volledig sterven, waardoor de virussen de mogelijkheid worden ontnomen om verder te parasiteren. De virussen hebben duidelijk besloten hun slachtoffers te laten inslapen en hen tijd te geven om te herstellen. Het peptide dat hen hierbij hielp, heette "arbitrium" ("beslissing").
Verder onderzoek heeft aangetoond dat virussen in staat zijn om complexere beslissingen te nemen. Ze kunnen zichzelf opofferen tijdens een aanval op het immuunsysteem van een cel om het succes van de tweede of derde aanvalsgolf te verzekeren. Ze zijn in staat om op een gecoördineerde manier van cel naar cel te gaan in transportblaasjes (vesikels), genenmateriaal uit te wisselen, elkaar te helpen de immuniteit te maskeren, samen te werken met andere stammen om te profiteren van hun evolutionaire voordelen.
De kans is groot dat zelfs deze verbazingwekkende voorbeelden slechts het topje van de ijsberg zijn, zegt Lan'in Zeng, een biofysicus aan de Universiteit van Texas. Een nieuwe wetenschap - sociovirologie - zou het latente sociale leven van virussen moeten bestuderen. We hebben het niet over het feit dat virussen bewust zijn, zegt een van de makers, microbioloog Sam Diaz-Muñoz. Maar sociale verbindingen, communicatietaal, collectieve beslissingen, coördinatie van acties, wederzijdse hulp en planning zijn tekenen van intelligent leven.
Promotie video:
Zijn virussen gezond?
Kan iets dat niet eens een levend organisme is, een geest of bewustzijn hebben? Er is een wiskundig model dat deze mogelijkheid mogelijk maakt. Het is een geïntegreerde informatietheorie ontwikkeld door de Italiaanse neurowetenschapper Giulio Tononi. Hij beschouwt bewustzijn als de verhouding tussen de hoeveelheid en de kwaliteit van informatie, die wordt bepaald door een speciale meeteenheid - φ (phi). Het idee is dat er tussen volledig onbewuste materie (0 φ) en het bewuste menselijke brein (maximum φ) een oplopende reeks overgangstoestanden is. Elk object dat informatie kan ontvangen, verwerken en genereren, heeft een minimumniveau φ. Waaronder die zeker levenloos zijn, zoals een thermometer of LED. Omdat ze weten hoe ze temperatuur en licht in gegevens moeten omzetten, betekent dit dat 'informatie-inhoud' voor hen dezelfde fundamentele eigenschap is,als massa en lading voor een elementair deeltje. In die zin is het virus duidelijk superieur aan veel levenloze objecten, aangezien het zelf drager is van (genetische) informatie.
Bewustzijn is een hoger niveau van informatieverwerking. Tononi noemt deze integratie. Geïntegreerde informatie overtreft kwalitatief de simpele som van verzamelde gegevens: niet een reeks individuele kenmerken van een object zoals geel, ronde vorm en warmte, maar een afbeelding van een brandende lamp die daaruit is samengesteld.
Het is algemeen aanvaard dat alleen biologische organismen in staat zijn tot een dergelijke integratie. Om te testen of levenloze objecten zich kunnen aanpassen en ervaring kunnen opdoen, ontwikkelde Tononi samen met een team van neurowetenschappers een computermodel dat lijkt op een arcadespel voor een retroconsole. De proefpersonen waren 300 "animats" - 12-bits eenheden met kunstmatige intelligentie, simulatie van de zintuigen en het bewegingsapparaat. Elk van hen kreeg willekeurig gegenereerde instructies voor werkende delen van het lichaam en iedereen werd in een virtueel doolhof gelanceerd. Keer op keer selecteerden en kopieerden de onderzoekers de animats die de beste coördinatie lieten zien. De volgende generatie erfde dezelfde code van de "ouders". De grootte veranderde niet, maar er werden willekeurige digitale 'mutaties' in geïntroduceerd die de verbindingen tussen de 'hersenen' en 'ledematen' konden versterken, verzwakken of aanvullen. Als gevolg van deze natuurlijke selectie nam na 60 duizend generaties de efficiëntie van het passeren van het labyrint onder animats toe van 6 tot 95%.
Animaten hebben één voordeel ten opzichte van virussen: ze kunnen onafhankelijk bewegen. Virussen moeten van drager naar drager in de passagiersstoelen in speeksel en andere fysiologische afscheidingen. Maar ze hebben meer kansen om het niveau van φ te verhogen. Al was het maar omdat virale generaties sneller worden vervangen. Eenmaal in een levende cel dwingt het virus het tot 10.000 van zijn genetische kopieën per uur te produceren. Er is echter nog een voorwaarde: om informatie op het bewustzijnsniveau te integreren, is een complex systeem nodig.
Hoe complex is een virus? Laten we eens kijken naar het voorbeeld van het nieuwe coronavirus SARS-CoV-2, de boosdoener van de huidige pandemie. In vorm lijkt het op een gehoornde zeemijn. Buiten - een bolvormige lipidenomhulling. Dit zijn vetten en vetachtige stoffen die het moeten beschermen tegen mechanische, fysische en chemische schade; het zijn zij die worden vernietigd door zeep of ontsmettingsmiddel. Op de envelop staat de kroon waaraan het zijn naam heeft gegeven, dat wil zeggen de wervelkolomachtige processen van S-eiwitten, met behulp waarvan het virus de cel binnendringt. Onder de envelop zit een RNA-molecuul: een korte keten met 29.903 nucleotiden. (Ter vergelijking: er zitten er meer dan drie miljard in ons DNA.) Een vrij eenvoudige constructie. Maar een virus hoeft niet complex te zijn. Het belangrijkste is om een sleutelcomponent te worden van een complex systeem.
Wetenschapsblogger Philip Bouchard vergelijkt virussen met Somalische piraten die een enorme tanker in een kleine boot kapen. Maar in wezen komt het virus dichter bij een lichtgewicht computerprogramma dat is gecomprimeerd door een archiveringsprogramma. Het virus heeft niet het volledige controle-algoritme nodig voor de gevangen cel. Een korte code is voldoende om het volledige besturingssysteem van de cel ervoor te laten werken. Voor deze taak is de code optimaal geoptimaliseerd tijdens het evolutieproces. Aangenomen kan worden dat het virus slechts in de cel "herleeft" als de systeembronnen dit toelaten. In een eenvoudig systeem is hij in staat stofwisselingsprocessen te delen en te controleren. In een complex (zoals ons lichaam) kan het aanvullende opties gebruiken, bijvoorbeeld om een niveau van informatieverwerking te bereiken dat, volgens het model van Tononi, grenst aan intelligent leven.
Wat willen virussen?
Maar waarom hebben virussen het überhaupt nodig: zichzelf opofferen, elkaar helpen, het communicatieproces verbeteren? Wat is hun doel als ze geen levende wezens zijn?
Vreemd genoeg houdt het antwoord rechtstreeks verband met ons. Over het algemeen is een virus een gen. De primaire taak van elk gen is om zichzelf zoveel mogelijk te kopiëren om zich in ruimte en tijd te verspreiden. Maar in die zin verschilt het virus niet veel van onze genen, die zich ook primair bezighouden met het behoud en de replicatie van de informatie die erin is vastgelegd. In feite zijn de overeenkomsten zelfs nog groter. We zijn zelf een beetje een virus. Met ongeveer 8%. Er zijn zoveel virale genen in ons genoom. Waar kwamen ze vandaan?
Er zijn virussen waarvoor de introductie van een gastheercel in het DNA een noodzakelijk onderdeel is van de "levenscyclus". Dit zijn retrovirussen, waaronder bijvoorbeeld hiv. De genetische informatie in een retrovirus is gecodeerd in een RNA-molecuul. In de cel begint het virus het proces van het maken van een DNA-kopie van dit molecuul, en brengt het vervolgens in ons genoom in, waardoor het een transportband wordt voor het samenstellen van zijn RNA's op basis van dit sjabloon. Maar het gebeurt zo dat de cel de synthese van viraal RNA onderdrukt. En het virus, ingebed in zijn DNA, verliest het vermogen om zich te delen. In dit geval kan het virale genoom een genetische ballast worden die wordt doorgegeven aan nieuwe cellen. De leeftijd van de oudste retrovirussen, waarvan de "fossiele resten" in ons genoom bewaard zijn gebleven, is 10 tot 50 miljoen jaar. In de loop van de evolutie hebben we ongeveer 98 duizend retrovirale elementen verzameld die ooit onze voorouders hebben besmet. Nu vormen ze 30-50 gezinnen, die zijn onderverdeeld in bijna 200 groepen en subgroepen. Volgens de berekeningen van genetici heeft het laatste retrovirus dat erin slaagde deel te worden van ons DNA de menselijke bevolking ongeveer 150 duizend jaar geleden geïnfecteerd. Toen overleefden onze voorouders een pandemie.
Wat doen relikwie-virussen nu? Sommigen laten zich op geen enkele manier zien. Of zo lijkt het ons. Anderen werken: het menselijk embryo beschermen tegen infecties; stimuleren de synthese van antilichamen als reactie op het verschijnen van vreemde moleculen in het lichaam. Maar over het algemeen is de missie van virussen veel belangrijker.
Hoe virussen met ons communiceren
Met de opkomst van nieuwe wetenschappelijke gegevens over de invloed van het microbioom op onze gezondheid, begonnen we ons te realiseren dat bacteriën niet alleen schadelijk zijn, maar ook nuttig en in veel gevallen essentieel. De volgende stap, schrijft Joshua Lederberg in The History of Infections, zou moeten zijn het doorbreken van de gewoonte om virussen te demoniseren. Ze brengen ons vaak ziekte en dood, maar het doel van hun bestaan is niet de vernietiging van leven, maar evolutie.
Net als in het voorbeeld met bacteriofagen, betekent de dood van alle cellen van het gastheerorganisme meestal een nederlaag voor het virus. Hyperagressieve stammen die hun gastheren te snel doden of immobiliseren, verliezen hun vermogen om zich vrijelijk te verspreiden en worden doodlopende takken van evolutie. In plaats daarvan krijgen meer "vriendelijke" soorten de kans om hun genen te vermenigvuldigen. “Naarmate virussen zich in een nieuwe omgeving ontwikkelen, veroorzaken ze meestal geen ernstige complicaties. Dit is goed voor het gastheerorganisme en voor het virus zelf”, zegt de New Yorkse epidemioloog Jonathan Epstein.
Het nieuwe coronavirus is zo agressief omdat het pas onlangs de interspeciesbarrière heeft doorbroken. Volgens immunobioloog Akiko Iwasaki van Yale University, "wanneer virussen voor het eerst het menselijk lichaam binnendringen, begrijpen ze niet wat er aan de hand is." Het zijn net animaties van de eerste generatie in een virtueel doolhof. Maar we zijn niet beter. Wanneer ons immuunsysteem wordt geconfronteerd met een onbekend virus, kan het ook uit de hand lopen en op de dreiging reageren met een "cytokinestorm" - een onnodig krachtige ontsteking die de eigen weefsels van het lichaam vernietigt. (Het is deze overdreven reactie van immuniteit die vele doden veroorzaakt tijdens de Spaanse grieppandemie van 1918.) Om in liefde en harmonie te leven met de vier menselijke coronavirussen die ons onschadelijke "verkoudheden" veroorzaken (OC43, HKU1, NL63 en HCoV-229E), moesten we pas je aan hen aan, en aan hen - aan ons.
We oefenen een evolutionaire invloed op elkaar uit, niet alleen als omgevingsfactoren. Onze cellen zijn rechtstreeks betrokken bij de opbouw en modificatie van virale RNA's. En virussen staan in direct contact met de genen van hun dragers en introduceren hun genetische code in hun cellen. Het virus is een van de manieren waarop onze genen communiceren met de wereld. Soms geeft deze dialoog onverwachte resultaten.
De opkomst van de placenta - de structuur die de foetus met het moederlichaam verbindt - is een sleutelmoment geworden in de evolutie van zoogdieren. Het is moeilijk voor te stellen dat het synticine-eiwit dat nodig is voor de vorming ervan wordt gecodeerd door een gen dat niets meer is dan een "gedomesticeerd" retrovirus. In de oudheid werd synticine door een virus gebruikt om de cellen van levende organismen te vernietigen.
Het verhaal van ons leven met virussen wordt getekend door een eindeloze oorlog of een wapenwedloop, schrijft antropoloog Charlotte Bivet. Dit epos is opgebouwd volgens één schema: de oorsprong van de infectie, de verspreiding ervan via een wereldwijd netwerk van contacten en als gevolg daarvan de beheersing of uitroeiing ervan. Al zijn complotten worden in verband gebracht met dood, lijden en angst. Maar er is een ander verhaal.
Bijvoorbeeld het verhaal van hoe we het neurale gen Arc hebben gekregen. Het is noodzakelijk voor synaptische plasticiteit - het vermogen van zenuwcellen om nieuwe zenuwverbindingen te vormen en te repareren. Een muis waarbij dit gen is uitgeschakeld, is niet in staat om langetermijngeheugen te leren en te vormen: nadat hij kaas heeft gevonden in een doolhof, zal hij de volgende dag de weg ernaartoe vergeten.
Om de oorsprong van dit gen te bestuderen, hebben wetenschappers de eiwitten die het produceert, geïsoleerd. Het bleek dat hun moleculen spontaan assembleren tot structuren die lijken op virale hiv-capsiden: eiwiteiwitten die het RNA van het virus beschermen. Daarna komen ze vrij uit het neuron in de transportmembraanblaasjes, versmelten met een ander neuron en geven hun inhoud vrij. Herinneringen worden overgedragen als een virale infectie.
350-400 miljoen jaar geleden drong een retrovirus het zoogdierorganisme binnen, waarmee contact leidde tot de vorming van Arc. Dit virusachtige gen helpt onze neuronen om hogere mentale functies uit te voeren. Het kan zijn dat virussen geen bewustzijn krijgen door contact met onze cellen. Maar in de tegenovergestelde richting werkt het. Het werkte tenminste een keer.
Auteur: Sergey Pankov
