Cosa sono i virus?

I virus sono parassiti microscopici, generalmente molto più piccoli dei batteri. Non hanno la capacità di prosperare e riprodursi al di fuori di un corpo ospite.

Predominantemente, i virus hanno la reputazione di essere la causa del contagio. Eventi diffusi di malattia e morte hanno senza dubbio rafforzato tale reputazione. L’epidemia di Ebola del 2014 in Africa occidentale e la pandemia di influenza H1N1/swine del 2009 (un’epidemia globale diffusa) probabilmente vengono in mente. Mentre tali virus sono certamente nemici astuti per gli scienziati e i professionisti della medicina, altri della loro specie sono stati strumentali come strumenti di ricerca, promuovendo la comprensione dei processi cellulari di base come la meccanica della sintesi proteica, e dei virus stessi.

Scoperta

Quanto sono piccoli i virus rispetto ai batteri? Un bel po’. Con un diametro di 220 nanometri, il virus del morbillo è circa 8 volte più piccolo del batterio E.coli. Con 45 nm, il virus dell’epatite è circa 40 volte più piccolo dell’E.coli. Per avere un’idea di quanto sia piccolo, David R. Wessner, professore di biologia al Davidson College, fornisce un’analogia in un articolo del 2010 pubblicato sulla rivista Nature Education: Il virus della polio, 30 nm di diametro, è circa 10.000 volte più piccolo di un granello di sale. Queste differenze di dimensioni tra virus e batteri hanno fornito il primo indizio critico dell’esistenza del primo.

Verso la fine del 19° secolo la nozione che i microrganismi, specialmente i batteri, potessero causare malattie era ben stabilita. Tuttavia, i ricercatori che studiavano una malattia preoccupante nel tabacco – la malattia del mosaico del tabacco – erano in qualche modo bloccati sulla sua causa.

In una ricerca del 1886 intitolata “Concerning the Mosaic Disease of Tobacco”, Adolf Mayer, un chimico e ricercatore agricolo tedesco, pubblicò i risultati dei suoi ampi esperimenti. In particolare, Mayer scoprì che quando schiacciava le foglie infette e iniettava il succo nocivo nelle vene delle foglie di tabacco sane, il risultato erano le macchie giallastre e lo scolorimento caratteristici della malattia. Mayer ipotizzò correttamente che ciò che causava la malattia del mosaico del tabacco era nel succo delle foglie. Tuttavia, risultati più concreti gli sfuggirono. Mayer era certo che qualsiasi cosa stesse causando la malattia era di origine batterica, ma non fu in grado di isolare l’agente che causava la malattia o di identificarlo al microscopio. Né poteva ricreare la malattia iniettando piante sane con una serie di batteri conosciuti.

Nel 1892, uno studente russo di nome Dmitri Ivanovsky ripeté essenzialmente gli esperimenti di Mayer, ma con una piccola modifica. Secondo un articolo del 1972 pubblicato sulla rivista Bacteriological Reviews, Ivanovsky passò il succo di foglie infette attraverso un filtro Chamberland, un filtro abbastanza fine da catturare batteri e altri microrganismi conosciuti. Nonostante la setacciatura, il filtrato liquido rimase infettivo, suggerendo un nuovo pezzo del puzzle; qualunque cosa stesse causando la malattia era abbastanza piccola da passare attraverso il filtro. Tuttavia, Ivanovsky concluse anche che la causa della malattia del mosaico del tabacco era batterica, suggerendo che il filtrato “conteneva o batteri o una tossina solubile”. Non fu che nel 1898 che fu riconosciuta la presenza di virus. Lo scienziato olandese Martinus Beijerinck, pur confermando i risultati di Ivanovsky, suggerì che la causa della malattia del mosaico del tabacco non era batterica ma un “virus liquido vivente”, riferendosi ad esso con il termine ormai obsoleto, “virus filtrabile”.

Gli esperimenti di Ivanovsky, Beijerinck e altri che seguirono indicarono solo l’esistenza di virus. Ci sarebbe voluto ancora qualche decennio prima che qualcuno vedesse effettivamente un virus. Secondo un articolo del 2009 pubblicato sulla rivista Clinical Microbiology Reviews, una volta sviluppato il microscopio elettronico nel 1931 dagli scienziati tedeschi Ernst Ruska e Max Knoll, il primo virus potrebbe essere visualizzato con la nuova tecnologia ad alta risoluzione. Queste prime immagini scattate da Ruska e colleghi nel 1939 erano del virus del mosaico del tabacco. Così, la scoperta dei virus ha chiuso il cerchio.

Struttura

I virus vacillano ai confini di ciò che è considerato vita. Da un lato, contengono gli elementi chiave che compongono tutti gli organismi viventi: gli acidi nucleici, DNA o RNA (ogni virus può avere solo l’uno o l’altro). D’altra parte, i virus non hanno la capacità di leggere e agire autonomamente sulle informazioni contenute in questi acidi nucleici.

“Un virus minimo è un parassita che richiede la replicazione (fare più copie di se stesso) in una cellula ospite”, ha detto Jaquelin Dudley, professore di bioscienze molecolari all’Università del Texas a Austin. “Il virus non può riprodursi al di fuori dell’ospite perché gli manca il complicato macchinario che possiede una cellula”. Il macchinario cellulare dell’ospite permette ai virus di produrre RNA dal loro DNA (un processo chiamato trascrizione) e di costruire proteine basate sulle istruzioni codificate nel loro RNA (un processo chiamato traduzione).

Quando un virus è completamente assemblato e capace di infettare, è conosciuto come un virione. Secondo gli autori di “Medical Microbiology 4th Ed. (University of Texas Medical Branch at Galveston, 1996), la struttura di un semplice virione comprende un nucleo interno di acido nucleico circondato da un involucro esterno di proteine noto come capside. Il capside protegge gli acidi nucleici virali dall’essere masticati e distrutti da speciali enzimi della cellula ospite chiamati nucleasi. Alcuni virus hanno un secondo strato protettivo conosciuto come involucro. Questo strato è di solito derivato dalla membrana cellulare di un ospite; piccoli pezzi rubati che vengono modificati e riproposti per essere utilizzati dal virus.

Il DNA o RNA che si trova nel nucleo del virus può essere a singolo o doppio filamento. Costituisce il genoma o la somma totale delle informazioni genetiche di un virus. I genomi virali sono generalmente di piccole dimensioni e codificano solo per proteine essenziali come le proteine del capside, gli enzimi e le proteine necessarie per la replicazione all’interno di una cellula ospite.

Funzione

Il ruolo primario del virus o del virione è quello di “consegnare il suo DNA o RNA nella cellula ospite in modo che il genoma possa essere espresso (trascritto e tradotto) dalla cellula ospite”, secondo “Medical Microbiology”.

Prima di tutto, i virus devono accedere all’interno del corpo dell’ospite. Le vie respiratorie e le ferite aperte possono fungere da porte d’ingresso per i virus. A volte gli insetti forniscono il modo di entrare. Alcuni virus fanno l’autostop nella saliva di un insetto ed entrano nel corpo dell’ospite dopo il morso dell’insetto. Secondo gli autori di “Molecular Biology of the Cell, 4th Ed” (Garland Science, 2002) tali virus possono replicarsi sia all’interno delle cellule dell’insetto che in quelle dell’ospite, assicurando una transizione senza problemi da una all’altra. Gli esempi includono i virus che causano la febbre gialla e la febbre dengue.

I virus si attaccano poi alle superfici delle cellule ospiti. Lo fanno riconoscendo e legandosi ai recettori della superficie cellulare, come due pezzi di un puzzle a incastro. Molti virus diversi possono legarsi allo stesso recettore e un singolo virus può legare diversi recettori della superficie cellulare. Mentre i virus li usano a loro vantaggio, i recettori di superficie cellulare sono in realtà progettati per servire la cellula.

Dopo che un virus si lega alla superficie della cellula ospite, può iniziare a muoversi attraverso il rivestimento esterno o membrana della cellula ospite. Ci sono molti modi diversi di entrare. L’HIV, un virus con un involucro, si fonde con la membrana e viene spinto attraverso. Un altro virus avvolto, il virus dell’influenza, viene inghiottito dalla cellula. Alcuni virus non inviluppati, come il virus della polio, creano un canale poroso di entrata e scavano attraverso la membrana.

Una volta dentro, i virus rilasciano i loro genomi e inoltre interrompono o dirottano varie parti del macchinario cellulare. I genomi virali dirigono le cellule ospiti verso la produzione finale di proteine virali (molte volte bloccando la sintesi di qualsiasi RNA e proteine che la cellula ospite può utilizzare). In ultima analisi, i virus impilano il mazzo a loro favore, sia all’interno della cellula ospite che all’interno dell’ospite stesso, creando le condizioni che permettono loro di diffondersi. Per esempio, quando si soffre di un comune raffreddore, uno starnuto emette 20.000 goccioline contenenti particelle di rhinovirus o coronavirus, secondo “Molecular Biology of the Cell”. Toccare o respirare quelle goccioline è tutto ciò che serve per diffondere un raffreddore.

Nuove scoperte

Comprendere le relazioni tra i virus è iniziato con la constatazione di somiglianze di dimensioni e forma, se i virus contenevano DNA o RNA, e in quale forma. Con metodi migliori per sequenziare e confrontare i genomi virali, e con il costante afflusso di nuovi dati scientifici, ciò che sappiamo sui virus e le loro storie viene costantemente perfezionato.

Fino al 1992, l’idea che i virus fossero molto più piccoli dei batteri, con genomi minuscoli, era data per scontata. Quell’anno gli scienziati scoprirono una struttura simile ai batteri all’interno di alcune amebe in una torre di raffreddamento ad acqua, secondo Wessner. Come si è scoperto, quello che hanno scoperto non era una specie batterica, ma un virus molto grande, che hanno soprannominato Mimivirus. Il virus ha una dimensione di circa 750 nm e potrebbe anche avere le stesse proprietà di colorazione dei batteri gram-positivi. Questo è stato seguito dalla scoperta di altri grandi virus come il Mamavirus e il Megavirus.

“Non si sa come questi grandi virus si siano evoluti”, ha detto Dudley, riferendosi a loro come agli “elefanti” del mondo dei virus. “Possono essere cellule degenerate, che sono diventate parassiti di altre cellule (i Mimivirus infettano le amebe), o possono essere virus più tipici che continuano ad acquisire geni ospiti aggiuntivi”, ha aggiunto. I mimivirus richiedono il macchinario cellulare di un ospite per produrre proteine, proprio come altri virus più piccoli. Tuttavia, il loro genoma contiene ancora molti resti di geni associati al processo di traduzione. È possibile che i Mimivirus siano stati un tempo cellule indipendenti. Oppure potrebbero aver semplicemente acquisito e accumulato alcuni geni dell’ospite, ha scritto Wessner.

Tali scoperte portano nuove domande e aprono nuove strade di ricerca. In futuro questi studi potrebbero fornire risposte a domande fondamentali sulle origini dei virus, su come hanno raggiunto il loro attuale stato parassitario e se i virus debbano essere inclusi nell’albero della vita.