Wat zijn virussen?

Virussen zijn microscopisch kleine parasieten, meestal veel kleiner dan bacteriën. Ze kunnen zich niet buiten een gastheerlichaam ontwikkelen en voortplanten.

Virussen staan vooral bekend als de veroorzakers van besmetting. Wijdverspreide ziekte- en sterftegevallen hebben die reputatie ongetwijfeld versterkt. De uitbraak van ebola in 2014 in West-Afrika en de H1N1-grieppandemie van 2009 (een wijdverspreide wereldwijde uitbraak) komen waarschijnlijk in gedachten. Hoewel dergelijke virussen zeker sluwe vijanden zijn voor wetenschappers en medische professionals, zijn andere virussen van hun soort nuttig geweest als onderzoeksinstrumenten; ze hebben het begrip van basale cellulaire processen, zoals de mechanica van eiwitsynthese, en van virussen zelf bevorderd.

Ontdekking

Hoeveel kleiner zijn de meeste virussen in vergelijking met bacteriën? Behoorlijk wat. Met een diameter van 220 nanometer is het mazelenvirus ongeveer 8 keer kleiner dan de E.coli-bacterie. Het hepatitisvirus is met 45 nm ongeveer 40 keer kleiner dan E.coli. Om aan te geven hoe klein dit is, geeft David R. Wessner, hoogleraar biologie aan het Davidson College, een analogie in een artikel uit 2010 dat is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Education: Het poliovirus, met een doorsnede van 30 nm, is ongeveer 10.000 keer kleiner dan een zoutkorrel. Dergelijke verschillen in grootte tussen virussen en bacteriën vormden de eerste belangrijke aanwijzing voor het bestaan van het poliovirus.

Aan het eind van de 19e eeuw was het idee dat micro-organismen, met name bacteriën, ziekten konden veroorzaken, algemeen aanvaard. Onderzoekers die een verontrustende ziekte bij tabak onderzochten – de tabaksmozaïekziekte – wisten echter niet goed wat de oorzaak ervan was.

In een onderzoeksartikel uit 1886, getiteld “Betreffende de Mozaïekziekte van Tabak”, publiceerde Adolf Mayer, een Duitse chemicus en landbouwonderzoeker, de resultaten van zijn uitgebreide experimenten. Mayer ontdekte met name dat wanneer hij besmette bladeren fijnstampte en het schadelijke sap in de nerven van gezonde tabaksbladeren injecteerde, dit resulteerde in de geelachtige vlekken en verkleuring die kenmerkend zijn voor de ziekte. Mayer veronderstelde terecht dat de veroorzaker van de tabaksmozaïekziekte zich in het bladsap bevond. Meer concrete resultaten bleven echter uit. Mayer was er zeker van dat de veroorzaker van de ziekte van bacteriële oorsprong was, maar hij was niet in staat de ziekteveroorzaker te isoleren of onder een microscoop te identificeren. Evenmin kon hij de ziekte nabootsen door gezonde planten in te spuiten met een reeks bekende bacteriën.

In 1892 herhaalde een Russische student genaamd Dmitri Ivanovsky in wezen Mayers sapexperimenten, maar met een beetje een twist. Volgens een artikel uit 1972, gepubliceerd in het tijdschrift Bacteriological Reviews, liet Ivanovsky het sap van geïnfecteerde bladeren door een Chamberland filter lopen, een filter dat fijn genoeg is om bacteriën en andere bekende micro-organismen op te vangen. Ondanks het zeven bleef het vloeibare filtraat besmettelijk, wat wijst op een nieuw stukje van de puzzel; wat de ziekte veroorzaakte was klein genoeg om door het filter te gaan. Ivanovsky concludeerde echter ook dat de oorzaak van de tabaksmozaïekziekte bacterieel was en suggereerde dat het filtraat “ofwel bacteriën ofwel een oplosbaar toxine bevatte”. Pas in 1898 werd de aanwezigheid van virussen erkend. De Nederlandse wetenschapper Martinus Beijerinck bevestigde de resultaten van Ivanovsky, maar suggereerde dat de oorzaak van de tabaksmozaïekziekte niet bacterieel was, maar een “levend vloeibaar virus”.

De experimenten van Ivanovsky, Beijerinck en anderen die volgden wezen alleen maar op het bestaan van virussen. Het zou nog een paar decennia duren voordat iemand daadwerkelijk een virus zag. Volgens een artikel uit 2009, gepubliceerd in het tijdschrift Clinical Microbiology Reviews, kon, nadat de elektronenmicroscoop in 1931 was ontwikkeld door de Duitse wetenschappers Ernst Ruska en Max Knoll, het eerste virus worden gevisualiseerd met de nieuwe technologie met hoge resolutie. De eerste beelden die Ruska en zijn collega’s in 1939 maakten, waren van het tabaksmozaïekvirus. Daarmee was de cirkel rond voor de ontdekking van virussen.

Structuur

Virussen balanceren op de grens van wat als leven wordt beschouwd. Aan de ene kant bevatten ze de sleutelelementen waaruit alle levende organismen zijn opgebouwd: de nucleïnezuren, DNA of RNA (een virus kan alleen het een of het ander hebben). Aan de andere kant zijn virussen niet in staat om zelfstandig de informatie in deze nucleïnezuren te lezen en erop te reageren.

“Een minimaal virus is een parasiet die replicatie (het maken van meer kopieën van zichzelf) in een gastheercel vereist,” zei Jaquelin Dudley, een professor moleculaire biowetenschappen aan de Universiteit van Texas in Austin. “Het virus kan zich niet buiten de gastheer voortplanten omdat het de ingewikkelde machinerie mist die een cel wel bezit.” De cellulaire machinerie van de gastheer stelt virussen in staat RNA te produceren uit hun DNA (een proces dat transcriptie wordt genoemd) en eiwitten te bouwen op basis van de instructies die in hun RNA zijn gecodeerd (een proces dat translatie wordt genoemd).

Wanneer een virus volledig in elkaar is gezet en in staat is tot infectie, staat het bekend als een virion. Volgens de auteurs van “Medical Microbiology 4th Ed.” (University of Texas Medical Branch at Galveston, 1996) bestaat de structuur van een eenvoudig virion uit een kern van nucleïnezuur, omgeven door een buitenste omhulsel van eiwitten, dat capside wordt genoemd. Capsiden beschermen de virale nucleïnezuren tegen opkauwen en vernietiging door speciale enzymen van de gastheercel, nucleasen genaamd. Sommige virussen hebben een tweede beschermende laag die bekend staat als het omhulsel. Deze laag is gewoonlijk afkomstig van het celmembraan van een gastheer; kleine gestolen stukjes die worden aangepast en opnieuw gebruikt door het virus.

Het DNA of RNA dat zich in de kern van het virus bevindt, kan eenstrengs of tweestrengs zijn. Het vormt het genoom of de som van de genetische informatie van een virus. Virale genomen zijn over het algemeen klein van omvang en coderen alleen voor essentiële eiwitten zoals capsid-eiwitten, enzymen en eiwitten die nodig zijn voor de replicatie in een gastheercel.

Functie

De primaire rol van het virus of de virion is om “zijn DNA- of RNA-genoom in de gastheercel af te leveren, zodat het genoom door de gastheercel tot expressie kan worden gebracht (getranscribeerd en vertaald),” volgens “Medische Microbiologie.”

Eerst moeten virussen toegang krijgen tot de binnenkant van het lichaam van een gastheer. Ademhalingswegen en open wonden kunnen fungeren als toegangspoorten voor virussen. Soms zorgen insecten voor de ingang. Bepaalde virussen liften mee in het speeksel van een insect en dringen het lichaam van de gastheer binnen nadat het insect heeft gebeten. Volgens de auteurs van “Molecular Biology of the Cell, 4th Ed” (Garland Science, 2002) kunnen dergelijke virussen zich zowel in de cellen van het insect als in die van de gastheer vermenigvuldigen, waardoor een vlotte overgang van de ene naar de andere verzekerd is. Voorbeelden hiervan zijn de virussen die gele koorts en dengue koorts veroorzaken.

Virussen hechten zich vervolgens aan het oppervlak van gastheercellen. Zij doen dit door receptoren op het celoppervlak te herkennen en zich daaraan te hechten, als twee in elkaar grijpende puzzelstukjes. Veel verschillende virussen kunnen zich aan dezelfde receptor binden en één enkel virus kan zich aan verschillende receptoren van het celoppervlak binden. Hoewel virussen deze in hun voordeel gebruiken, zijn receptoren op het celoppervlak eigenlijk ontworpen om de cel te dienen.

Nadat een virus zich aan het oppervlak van de gastheercel heeft gebonden, kan het zich over de buitenste bekleding of het membraan van de gastheercel beginnen te bewegen. Er zijn veel verschillende manieren om de cel binnen te dringen. HIV, een virus met een omhulsel, versmelt met het membraan en wordt erdoorheen geduwd. Een ander virus met een omhulsel, het influenzavirus, wordt door de cel opgeslokt. Sommige virussen zonder omhulsel, zoals het poliovirus, creëren een poreus toegangskanaal en graven zich door het membraan

Eenmaal binnen, geven virussen hun genoom vrij en verstoren of kapen ze ook verschillende delen van de cellulaire machinerie. Virale genomen sturen gastheercellen aan om uiteindelijk virale eiwitten te produceren (waarbij vaak de synthese van RNA en eiwitten die de gastheercel kan gebruiken, wordt stopgezet). Uiteindelijk spannen virussen de kaarten in hun voordeel, zowel in de gastheercel als in de gastheer zelf, door omstandigheden te creëren die hen in staat stellen zich te verspreiden. Bij een verkoudheid bijvoorbeeld, stoot één nies 20.000 druppeltjes uit die rhinovirus- of coronavirusdeeltjes bevatten, volgens “Molecular Biology of the Cell”. Het aanraken of inademen van deze druppeltjes volstaat om een verkoudheid te verspreiden.

Nieuwe ontdekkingen

Het begrijpen van de relaties tussen virussen begon met het opmerken van overeenkomsten in grootte en vorm, of virussen DNA of RNA bevatten, en in welke vorm. Met betere methoden om de genomen van virussen te sequencen en te vergelijken en met de voortdurende toevloed van nieuwe wetenschappelijke gegevens, wordt wat we over virussen en hun geschiedenis weten voortdurend verfijnd.

Tot 1992 werd het idee dat virussen veel kleiner waren dan bacteriën, met minuscule genomen, als vanzelfsprekend beschouwd. In dat jaar ontdekten wetenschappers een bacterie-achtige structuur in enkele amoeben in een waterkoeltoren, aldus Wessner. Wat zij ontdekten, bleek geen bacteriesoort te zijn, maar een zeer groot virus, dat zij Mimivirus noemden. Het virus is ongeveer 750 nm groot en heeft mogelijk dezelfde kleureigenschappen als Gram-positieve bacteriën. Daarna volgden de ontdekking van andere grote virussen, zoals het Mamavirus en het Megavirus.

“Het is niet bekend hoe deze grote virussen zijn geëvolueerd,” zei Dudley, die naar hen verwees als de “olifanten” van de viruswereld. “Het kunnen gedegenereerde cellen zijn, die parasieten zijn geworden van andere cellen (Mimivirussen infecteren amoeben), of het kunnen meer typische virussen zijn die steeds extra gastheergenen verwerven,” voegde ze eraan toe. Mimivirussen hebben de cellulaire machinerie van een gastheer nodig om eiwitten te produceren, net als andere kleinere virussen. Hun genoom bevat echter nog veel overblijfselen van genen die met het vertaalproces te maken hebben. Het is mogelijk dat Mimivirussen ooit onafhankelijke cellen zijn geweest. Of ze kunnen gewoon een aantal gastheergenen hebben verworven en geaccumuleerd, schreef Wessner.

Dergelijke ontdekkingen roepen nieuwe vragen op en openen nieuwe wegen voor onderzoek. In de toekomst kunnen deze studies antwoorden geven op fundamentele vragen over de oorsprong van virussen, hoe zij hun huidige parasitaire staat hebben bereikt, en of virussen moeten worden opgenomen in de boom des levens.