Александр Смородинцев - Беседы о вирусах

В 30-х годах почти одновременно появились в печати две научные статьи, одна из Англии, другая из Совет­ского Союза. К. Смит и А. Смородинцев доказали, что грипп у людей вызывают вирусы, а не микробы, как это считалось раньше. С тех пор прошло более 40 лет. Выделено много вариантов вирусов гриппа, все они до­сконально изучены. Ученые подобрали удобную для изучения лабораторную модель — белую мышь. Уста­новили, что в легких этих животных вирусы гриппа ин­тенсивно размножаются. Однако это происходило, толь­ко когда вирус гриппа вводили мышке в нос. Если же ее пытались заразить инъекцией вирусной суспензии под кожу, внутривенно или в брюшную полость, вирус грип­па не приживлялся и не размножался.

— Если увидеть вирус внутри клетки с помощью микроскопа нельзя, то как это сделать?

— К сожалению, обычный микроскоп, хотя он и уве­личивает предметы более чем в тысячу раз, перед ви­русом бессилен,

— Как же тогда получить «портрет» вируса, раз­глядеть его внутреннее устройство?

— Наука создала для этого электронный микроскоп, ультрацентрифугу и другие сложнейшие приборы.

Уже на первых этапах развития вирусологии ученые столкнулись с непреодолимой трудностью: увидеть ви­русы с помощью микроскопа не удавалось. Изучали ма­териалы, которые наверняка содержали живые вирусы, потому что с их помощью легко заражались лаборатор­ные животные или растения, однако никаких вредонос­ных возбудителей там видно не было. Еще совсем не­давно это считали одним из главных свойств вирусов и их отличий от микроорганизмов.

Большие усилия были затрачены для преодоления невидимости вирусов, делавшей их малодоступными для изучения. Путь к этой победе оказался достаточно долгим.

Трудность заключалась в том, что вирусы имеют ничтожно малые размеры — от 10 до 300 нанометров. Казалось бы, почему не сделать микроскоп с еще более сильными линзами, которые смогли бы увеличить пред­мет не в тысячу, а в 10 тысяч или 50 тысяч раз? Однако все  упиралось в непреодолимость физических законов.

Законы оптики безоговорочно утверждают, что при любом освещении, которое используют в оптическом микроскопе, можно увидеть только объекты с попереч­ником больше длины волны света. У дневного света длина волны составляет 400—700 нанометров, следова­тельно, вирусы невозможно увидеть ни в один обычный микроскоп, каким бы совершенным он ни был.

На помощь вирусологам приходит электронный микроскоп, теорию устройства которого и первые образ­цы создают в конце 30-х годов, перед началом второй мировой войны, В. Зворыкин в США и А. Лебедев в СССР. В нем вместо видимого света используют по­ток электронов, а вместо увеличительных стекол — маг­нитные катушки. Пройдя через изучаемый предмет, тон­кий электрический луч многократно расширяется магнит­ными полями катушек. Это увеличивает изображение в несколько сотен тысяч раз и позволяет увидеть его на специальном флюоресцирующем экране, подобном экра­ну телевизора. Так как длина волны электронного луча равна всего лишь 0,01 ангстрема (ангстрем равен 0,1 нанометра), то есть в 500 тысяч раз меньше, чем у видимого света, с помощью электронного микроскопа можно рассмотреть даже небольшие белковые молекулы.

Электронный микроскоп в его современных модифи­кациях — это весьма точный и сложный механизм, сто­имость которого измеряется десятками тысяч рублей. Несмотря на это, все лаборатории, изучающие структу­ру вирусов, имеют его на вооружении. С помощью электронного микроскопа ученым удается рассмотреть большинство известных вирусов, просвечивая их пучком электронов.

В последние годы изобретен сканирующий электрон­ный микроскоп, принцип работы которого основан на том, что пучок   электронов не проходит через предмет насквозь, а, падая на его поверхность под определенным углом, отражается от нее и после необходимого увели­чения изображения попадает на флюоресцирующий экран. Сканирующий электронный микроскоп позво­ляет увидеть даже объемное изображение вирусов, сде­лать фотографии, портреты вирусов с деталями струк­туры их наружной поверхности.

Исследование морфологии (формы и строения) по­зволило разделить все известные сейчас вирусы на три группы.

Раньше всего были изучены крупные вирусы. Их размер 200—300 нанометров. К таким «великанам» от­носятся вирусы оспы человека и животных, вирус эктромелии белых мышей (это заболевание часто встре­чается в питомниках, где разводят столь необходимых науке лабораторных животных).

Ко второй группе относят вирусы, средняя величина которых от 50 до 150 нанометров. К ним принадлежит большинство вирусов растений, бактериофаги (вирусы, уничтожающие микробов), а также вирусы кори, свин­ки, гриппа. Сюда же относятся возбудители многих за­болеваний верхних дыхательных путей, которые обыч­но называют «простудными», но которые на самом де­ле вызываются многочисленными вирусами.

Третья группа состоит из мельчайших вирусов (по величине они ненамного больше крупных белковых мо­лекул) с размером частиц от 20 до 30 нанометров. В этой группе находятся вирусы полиомиелита, желтой лихорадки, энцефалитов и многие возбудители тропиче­ских лихорадок.

Ученые подсчитали, что если диаметр крупных ви­русов превышает диаметр мелких всего лишь в 30 раз, то разница в их объеме составляет более 25 тысяч раз.

Подавляющая масса вирусных частиц (вирионов), которые поражают человека и животных, имеет форму шара, а у вирусов растений — вытянутый цилиндр. Хо­тя длина цилиндра вируса табачной мозаики достигает 350 нанометров, в оптическом микроскопе он все же не­видим: поперечник цилиндра не превышает 15 наномет­ров, а такие величины в оптическом микроскопе раз­глядеть нельзя.

Исследования знаменитого теперь американского биохимика, лауреата Нобелевской премии У. Стенли на­чались в 1935 году и пролили затем свет на состав ви­русов. Из сока растений, пораженных вирусом табачной мозаики, Стенли выделил высокомолекулярные соеди­нения. После тщательной очистки выяснилось, что это сложная комбинация нуклеиновой кислоты и белка. Это вещество получило название нуклеопротеин. Оно могло даже заражать здоровые растения, вызывая болезнь — табачную мозаику.

Однако самые существенные различия между виру­сами и микробами обнаружили, когда вирусы разобра­ли, если можно так выразиться, на составные части. Наука создала за последние годы много новых фермен­тов и реактивов, чтобы с более чем ювелирной точно­стью отделить друг от друга различные компоненты те­ла вируса или микробной клетки, получить их в чистом виде и достаточно точно изучить. Трудно даже вообра­зить себе эту точность, при которой ученые оперируют величинами, измеряемыми миллионными долями мик­рона!

Вирусы под различными углами просвечивали рент­геновскими лучами, измеряли величину электромагнит­ных колебаний их атомов, разделяли вирусные белки и нуклеиновые кислоты, определяли последовательность аминокислот в белке. Анализ всех фактов проводили с помощью сложнейших электронно-вычислительных машин за считанные дни, а не за долгие годы, как это делалось еще совсем недавно. И вот в результате тако­го скрупулезного исследования вирусов удалось устано­вить совершенно неожиданный факт: у них нет никако­го сходства с клеточной организацией, типичной для всех существующих на земле организмов!

В центре каждого вириона, образуя его сердцевину, лежит нуклеиновая кислота. Снаружи располагаются белковые молекулы, образующие своего рода защитное покрытие, так называемый «чехол». Они состоят из 20 хорошо известных аминокислот, из которых сотканы белковые  молекулы всех живущих на земле существ.

Чтобы определить вес целой вирусной частицы или отдельных ее компонентов, используют ультрацентри­фугу. Отличается она от обычной центрифуги тем, что здесь развивается скорость вращения порядка 100 ты­сяч оборотов в минуту и создается сила тяжести, превы­шающая земное притяжение в несколько сот ты­сяч раз.

Если в ультрацентрифугу поместить   пробирку,   со­держащую концентрированный раствор сахара или ка­кой-либо соли, а поверх него — суспензию вируса, то при определенных скоростях вращения вирус будет оседать, двигаться по направлению к дну пробирки, как бы продавливаясь через плотный слой лежащего ниже раствора. По глубине погружения вируса в плот­ный раствор сахара или соли можно вычислить моле­кулярный вес частицы или   отдельных ее компонентов.

За единицу измерения приняли дальтон — вес само­го маленького атома в природе — атома водорода. Ока­залось, что у мелкого вируса полиомиелита вес вирус­ной РНК, являющейся геномом, хранителем наследствен­ной информации вируса, не превышает 1—2 миллионов дальтон, у крупного вируса оспы достигает 200 миллио­нов. А средний вес генома бактериальной клетки до­стигает  1—10 биллионов дальтон.