Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • vsh25
  • Vitacoin

Вирусы из пробирки

Можно ли сделать из вируса биологическое оружие и зачем клонировать SARS-CoV-2

ПостНаука

Активно разрабатываемые в секретных лабораториях вирусы-убийцы – это постоянная тема для спекуляций среди сторонников теорий заговоров. На самом же деле вирусы уже очень давно изучаются в лабораториях, и никакой тайны в этом нет. ПостНаука попросила вирусолога Сергея Альховского рассказать о том, можно ли клонировать вирус или создать его с нуля, какие технологии для этого доступны, а также об угрозах, которые вирусы сулят человечеству.

Биологическое оружие или нелепая случайность?

В 2015 году ученые из Университета Северной Каролины и Уханьского института вирусологии сообщили о том, что искусственно создали гибридный вариант коронавируса, получивший кодовое имя SHC014-MA15. Исследования показали, что он способен инфицировать эпителий дыхательных путей человека, а также вызывать пневмонию у мышей. Часть ученых раскритиковала эксперимент, ведь проведенные опыты дали очень мало для понимания вирусов, но создали при этом потенциальную угрозу для человечества в случае утечки из лаборатории. Другие исследователи, наоборот, указывали на то, что такие эксперименты проводятся постоянно, а апокалиптические сценарии, часто будоражащие общественность, ни разу не воплощались в жизнь.

Скорее всего, эта история забылась бы довольно быстро, если бы не роковая случайность. В конце 2019 года в китайском Ухане неожиданно произошла вспышка нового типа коронавируса SARS-CoV-2, и через несколько месяцев она переросла в пандемию. События развивались очень стремительно и на фоне недостатка информации о вирусе обрастали теориями заговора. Многие их сторонники предполагали, что настолько быстро распространяющаяся угроза просто не могла возникнуть естественным путем, а значит, вирус является искусственной разработкой, напрямую связанной с SHC014-MA15. 

На самом деле SARS-CoV-2 – это не какое-то уникальное в природе явление. Это один из множества коронавирусов, которые давно циркулируют в человеческой популяции. Впервые один из них, HCoV-B814, был выявлен еще в 1965 году, и с тех пор удалось установить, что до 15–20% всех простудных инфекций вызваны именно коронавирусами. Кроме того, коронавирусы уже успели продемонстрировать, что обычной простудой они не ограничиваются. SARS-CoV, известный как атипичная пневмония, вызывал локальные эпидемии в странах Дальнего Востока: общее число зараженных к концу июля 2003 года достигло 8096 человек, 774 из них погибли. Если этот вирус с тех пор больше не заражал людей в естественной среде обитания, то ближневосточный респираторный синдром, известный как MERS и также возбуждаемый коронавирусом, до сих пор диагностируется в количестве до десятка случаев в год.

Другой столп теорий заговора о вирусах – это вера в невероятное могущество современной науки, способной к безграничным манипуляциям с генетическим кодом. Правда, однако, состоит в том, что с текущим уровнем знаний у вирусологии больше вопросов, чем ответов.

Что ученым точно известно о вирусах?

Вирусы открыли достаточно поздно, а единственным возможным возбудителем болезней долгое время считались бактерии. Только в 90-е годы XIX века ученые Дмитрий Ивановский и Мартин Бейеринк независимо друг от друга показали, что экстракт больного растения сохраняет инфицирующие свойства, даже если удалить из него все бактерии. Это напрямую свидетельствовало о наличии какого-то крошечного инфекционного агента, который до этого не удавалось обнаружить. Бейеринк назвал их вирусами. Окончательно подтвердить их существование получилось в 1939 году вместе с первой фотографией вируса, которую сделали с помощью электронного микроскопа.

Сегодня мы точно знаем, что в самом простом виде вирус – это особым образом сформированная нуклеиновая кислота, в форме РНК или ДНК, и находящаяся в капсиде – белковой оболочке. Вирус нельзя однозначно назвать живым, поскольку он способен функционировать, только оказавшись в другом организме. Когда вирус попадает в клетку, он инфицирует ее, распаковывается и начинает свою жизнедеятельность. В клетке его РНК или ДНК распознается клеточными рибосомами, и с их помощью запускается синтез вирусных белков. Как только синтезировалось достаточное количество белков, вирусная РНК-полимераза (ответственная за копирование генома, то есть структуры РНК) начинает вырабатывать много копий вирусного генетического материала. Копия РНК упаковывается в капсид, выходит из клетки и отправляется в другую – и процесс повторяется сначала.

Структуры вирусов бывают очень разными. Коронавирусы, к примеру, обладают одной из самых «длинных» РНК, их геном состоит из 28 тысяч нуклеотидов. Большинство же вирусов «укладываются» в 5–10 тысяч. Последовательность нуклеотидов каждого отдельного образца вируса того или иного вида складывается в определенный генотип, который напрямую определяет его биологические свойства, то есть фенотип, – например, способность заражать не только летучих мышей, но и человека.

Такие различия в свойствах – результат постоянных мутаций. РНК и ДНК вирусов, как и нуклеиновые кислоты живых организмов, могут копироваться с ошибками. Это напрямую влияет на свойства вируса и делает его в большей или меньшей степени приспособленным к среде обитания. Одновременно с этим вирусу выгодно быстро и стабильно заражать определенный вид живых существ, не нанося при этом фатального вреда их здоровью. Быстрая смерть животного или растения означает, что у вируса будет меньше возможностей передаваться дальше, а значит, и риск его вымирания будет выше. 

И все же, SARS-CoV-2 – результат межвидовой мутации, которая оказалась на редкость успешной (для вируса). Поэтому сегодня ученые не спускают глаз с вирусов и постоянно ищут, какой из них может спровоцировать начало новой пандемии.

Где искать вирусы?

Человеческая деятельность – один из ключевых факторов, который влияет на мутацию вирусов. Все вирусы человека – это бывшие вирусы животных, которые в определенный момент мутировали и приобрели возможность инфицировать людей. ВИЧ, вирусы гепатита, вирусы гриппа – бывшие зоонозы. Эти переходы возникают из-за непрестанного и неизбежного контакта между человеком, живой природой и населяющими ее вирусами, поскольку такое взаимодействие создает для вирусов эволюционные стимулы для заражения людей. 

В некоторых сферах деятельности люди особенно сильно рискуют подхватить заразу от животных. В сельском хозяйстве постоянно приходится иметь дело с грызунами – стабильным источником хантавируса, возбуждающего геморрагическую лихорадку с почечным синдромом (ГЛПС). В России ежегодно выявляется 10–12 тысяч случаев этой тяжелой инфекции. Но, помимо этого хантавируса и множества других, в природном резервуаре грызунов живет еще десяток видов вирусов. Нет совершенно никаких гарантий, что однажды из этого многообразия не появится вариант, способный заражать людей. Точно такая же ситуация произошла и с SARS-CoV-2. Подковоносые летучие мыши – носители большого количества совершенно безопасных для человека коронавирусов. Однако в процессе постоянной эволюции всегда может неожиданно возникнуть вариант, который приобретет способность инфицировать человека. А заразив одного человека, вирус неизбежно выплеснется в человеческую популяцию.

Далеко не всегда прогресс как-то позволяет нам противостоять этому процессу. Наоборот, зачастую он только способствует возникновению новых заболеваний вирусной природы. Люди все более интенсивно вторгаются в те природные зоны, где до этого их не было. Пример – клещевой энцефалит. До 20-х годов XIX века о таком заболевании не слышали вовсе. Проблемы начались по мере освоения Дальнего Востока и Сибири: как только туда начали съезжаться люди, появились первые эпидемические вспышки. Сегодня мы вынуждены прививаться от энцефалита каждый раз, когда собираемся в поход. 

Другой аналогичный пример – вирус Эбола, впервые обнаруженный в 70-е годы XX века. Его переносят летучие лисицы, крылановые, которые являлись для него единственным природным резервуаром на протяжении 10–20 тысяч лет. Люди по мере освоения территорий рядом с ареалом обитания крыланов расчищали джунгли и создавали на их месте плантации с фруктовыми деревьями. Фруктоядные крыланы слетались туда за пищей, а из-за неестественного для них избытка продовольствия их популяции разрастались до огромных стай. Все это сильно увеличивало вероятность контакта человека с продуктами жизнедеятельности крыланов (слюной, кровью, фекалиями), а значит, и с вирусом. 

Изучением и отслеживанием таких угроз занимается экология вирусов. Это попытка понять, с чем мы вообще живем, с чем контактируем, и выяснить, какие вирусы мы в принципе можем обнаружить в природных резервуарах, а если точнее – понять закономерности распространения вирусов в зависимости от природно-климатических условий местности и взаимодействий представителей ее флоры и фауны. Конечная же практическая цель – научиться контролировать процесс распространения вирусов. 

Одна из основных задач современной экологии вирусов – установить общее количество вирусов, которые могут покинуть текущий ареал распространения и перейти в человеческую популяцию. По предварительным оценкам, таких вирусов может насчитываться до 400 тысяч.

Сегодня, однако, люди находятся довольно далеко от достижения этой цели. Мы не знаем полного разнообразия вирусов и не понимаем, как устроены механизмы их мутаций, из-за которых постоянно появляются варианты вирусов с измененными свойствами. 

Вирусы под микроскопом

Экология вирусов – это во многом «полевая» дисциплина, связанная с изучением свойств конкретной среды. Непосредственным же изучением строения вирусов занимается другой ключевой раздел вирусологии – молекулярная биология вирусов. Сама по себе молекулярная биология изучает гораздо более широкий набор объектов и проблем, но исследование вирусов играет в ней особую роль. Вирусы представляют собой очень удобную модель, на которой просто проводить исследования. В 1960–1970-е годы именно бактериофаги, вирусы бактерий, позволили открыть принципы, по которым происходит репликация (копирование) ДНК в клетке. 

Изучение различий между вариантами одного и того же вируса, механизмы проникновения вирусов в клетку, развитие иммунного ответа – все это актуальные темы для молекулярной биологии вирусов. Эта область неразрывно связана и с медицинской вирусологией – непосредственным изучением случаев заражения вирусами, развития инфекции, ее лечения. 

На самом деле больше всего интереса у ученых вызывает геном вирусов: именно он определяет их свойства, а вместе с ними и принципы воздействия на живые организмы. Гарантированно определить функцию каждого участка РНК или ДНК вируса можно, сравнив оригинальный образец вируса с его модифицированной версией. Для этого создают молекулярный клон – копию вируса, в которую вносят изменения и которую затем сравнивают с оригиналом. 

Посмотрев на два очень похожих вируса, один из которых может инфицировать определенный тип клеток, а другой – нет, как понять, какие именно элементы в структуре поверхностных белков отвечают за это? Необходимо сравнить их геномы и искать в них различия. Если получается обнаружить разницу в структурах ДНК или РНК, которые кодируют 2 или 3 аминокислоты, то можно точно сказать, что именно эта особенность задает свойства одного вируса, отсутствующие у другого. Например, у SARS-CoV-2 есть мутации, которые отвечают за способность поверхностного S-белка («шипа короны») связываться с рецептором клетки. Это и позволило ему заражать людей.

До 2000-х годов исследования были серьезно ограничены техническими возможностями. Приходилось проводить очень объемную полевую и лабораторную работу, чтобы обнаружить возбудителя какой-либо инфекции. Нужно было ехать в экспедицию, собирать материалы – к примеру, получить фрагмент тканей человека, предположительно погибшего от вируса. Затем добавить его к искусственно созданным клеткам, а после выделить чистую культуру вируса, свободного от посторонних элементов в образце. Это не всегда удавалось сделать быстро, поскольку клетки могли и не подвергнуться заражению, – нужно было еще время, чтобы понять условия, в которых происходит инфицирование.

Из-за этого к 2000 году всего лишь 1500–2000 вирусов были изучены достаточно хорошо. Сейчас ситуация кардинально изменилась. Появились технологии полногеномного секвенирования (Next-Generation Sequence), которые позволили «прочитать» с помощью специально подготовленного устройства (секвенатора) сразу несколько участков генома единовременно, а значит, получить информацию обо всех геномах, находящихся в изучаемом образце с вирусами. Благодаря этой технологии можно опустить этап выделения чистой культуры вируса и напрямую перейти к анализу его генома. Сейчас ученые секвенируют, например, сточные или океанские воды и могут найти несколько тысяч новых вирусов только в рамках одного исследования – а таких исследований сотни и тысячи.

Можно ли создать новый вирус в лаборатории?

Изучение и работа с геномами вирусов сегодня вышли на новый уровень, и это во многом подогревает страх публики перед лабораторными исследованиями. Однако уровень развития современной науки задает четко очерченные границы возможного и невозможного.

Абсолютно все серьезные вирусологи отрицательно относятся к гипотезе об искусственном происхождении вируса SARS-CoV-2. Еще во время эпидемии SARS-1 в 2002 году было установлено, что этот вирус пришел в человеческую популяцию от летучих мышей. В пещерах Юньнани, где обнаружили десятки коронавирусов, были найдены и такие их варианты, у которых определенные позиции в структуре генома совпадали с SARS-1 и SARS-2. Так что нет никакой фантастики в том, что однажды пазл сложился и эти вирусы выплеснулись в человеческую популяцию. 

К сожалению или к счастью, это не означает, что невозможно создать опасный вирус в лаборатории. В 2012 году было опубликовано резонансное исследование «Передача вируса гриппа A/H5N1 воздушным путем между хорьками», связанное с исследованиями вируса птичьего гриппа – H5N1. Некоторые его разновидности очень патогенны, а их летальность составляет порядка 60–70%. Людей от этой угрозы спасает то, что H5N1 можно заразиться только при тесном контакте с очень высокой инфицирующей дозой вируса, поэтому и заражаются птичьим гриппом в подавляющем большинстве случаев работники фабрик, например, при разделке больной птицы. Такие опасные формы гриппа, как правило, способны инфицировать человека только через нижние дыхательные пути. Однако всего лишь несколько сравнительно небольших мутаций могут изменить ситуацию.

Рон Фушье, ученый из Университета Эразма в Нидерландах, долгое время занимался исследованиями передачи вируса H5N1 от животного к животному. Он заражал вирусом птичьего гриппа одного хорька, забирал у него мазок и этим мазком заражал следующего хорька. Каждый раз вирус незначительно мутировал: его свойства менялись при передаче от одного животного к другому. После десятой передачи вируса через мазок Фушье заметил, что заражаться начали и те хорьки, которые сидели в соседних клетках с уже больными, без участия ученого. В написанной в 2011 году статье Фушье сделал вывод о том, что всего пять мутаций могут придать вирусу птичьего гриппа H5N1 свойства серьезного пандемического вируса, передающегося воздушно-капельным путем.

Эта статья была отправлена в Science и Nature, авторитетные научные журналы. Разразился масштабный скандал. С одной стороны, многие обвинили Фушье в том, что его эксперименты проводились в недостаточно безопасных условиях, где потенциально могла произойти утечка. С другой же – многие восприняли предложенную к публикации статью как инструкцию по созданию вируса-убийцы, которую собираются разместить в открытом доступе. После давления научного сообщества было решено, что такие статьи должны публиковаться только с частичным сокрытием информации, чтобы никто не мог повторить результаты исследования со злым умыслом. 

Складывается следующая картина: создание нового вируса с нуля при текущем уровне развития технологий невозможно – попросту не получится придумать и расположить в верном порядке 28 тысяч нуклеотидов, чтобы получить SARS-CoV-2 искусственным путем. Однако вполне реально внести незначительные модификации в геном хорошо изученных вирусов.

Геном вируса – это последовательность нуклеотидов. Если эта последовательность известна, то можно синтезировать ее химическим способом. Поэтому если удалось создать молекулярный клон какого-то вируса, то значит, что уже существует шаблон, который можно легко модифицировать за сравнительно небольшие для такой задачи деньги – всего около 100 тысяч долларов.

И все же нет предварительного рецепта, по которому можно модифицировать вирус. Фушье не рассчитал необходимые компоненты для изменения H5N1, он получил их опытным путем. Именно поэтому без предварительного эксперимента серьезные модификации вируса невозможны.

Существует разница и в степени изученности различных вирусов. С одной стороны, есть огромный пласт работ с разными подтипами вируса гриппа, с другой – относительно коронавирусов аналогичных данных собрано гораздо меньше. Для SARS-CoV-2 пока еще не удалось получить молекулярный клон. Поэтому просто невозможно представить себе способ, для того чтобы каким-либо образом серьезно его модифицировать. Новости о том, что ученые из Сиены улучшили коронавирус так, что он стал невосприимчив к стандартным антителам, – очень большое преувеличение. Исследование проводилось с помощью вирусоподобных частиц, в которые внедрялись определенные белки. Это ценная работа, но не стоит делать из нее неправильные выводы.

Теория об искусственном создании SARS-CoV-2 не выдерживает критики. Однако разворачивающаяся на планете пандемия все же может иметь лабораторное происхождение. Никогда нельзя исключать возможность банальной утечки.

Может ли вирус «сбежать» из лаборатории?

Современные требования к безопасности работы с вирусами очень строги. В 1960–1970-х годах действительно имели место случаи лабораторного заражения, к примеру заражения через вентиляцию. Сегодня же технологии позволяют удержать вирус в лаборатории, даже если утечка все же случится. 

Лаборатория, которая работает с патогенными микроорганизмами, делает это в соответствии с очень строгими нормами. Внутри обязательно должны быть «чистые» зоны для сотрудников и «заразные» зоны, где ведется вся работа над вирусами. Сама лаборатория располагается либо в отдельном корпусе здания, либо же вообще в отдельном здании, в зависимости от опасности хранящихся в ней вирусов. Двери и окна герметичны, а системы вентиляции оборудованы особыми фильтрами, изготовленными из тонких, сложенных гармошкой стеклопластиковых волокон, где в случае утечки оседают частицы, которые нужно удержать. Все манипуляции с вирусами проводят в специальных ламинарных вытяжных шкафах с осветителями, ультрафиолетовыми лампами и системой подачи стерильного воздуха, а также в боксах биологической безопасности. Боксы защищают сотрудников от заражения, а ламинарные шкафы в первую очередь создают стерильные условия для самих вирусов. 

Все вирусы в зависимости от опасности для человека делятся на четыре группы. Четвертая (в классификации ВОЗ – первая; в России принят обратный порядок отчисления) – самая безопасная, в нее входят штаммы микроорганизмов, которые не способны инфицировать человека, либо вызывающие легкие заболевания: вирус эктромелии, энтеровирусы типов 68–71, вирус оспы коров и другие. К третьей категории относят вирусы, вызывающие заболевания средней степени тяжести: простые герпесы первого и второго типов, вирус Эпштейна – Барр. Во вторую группу включают опасные вирусы, способные вызвать заболевания с риском летального исхода: клещевой энцефалит, ВИЧ, желтая лихорадка, гепатит C и другие. 

Наконец, первая группа вирусов – это геморрагические лихорадки, оспа, вирусы Эбола и Марбург. Это самая опасная категория. В России есть только два центра, которые имеют право работать с этими вирусами: центр «Вектор» в Новосибирске и военный институт в Сергиевом Посаде. Здесь персонал переодевается перед входом в лабораторию, а после обязательно принимает душ, одежду полностью обеззараживают. Производственное оборудование в лабораториях изолировано от других помещений, есть дополнительные системы вентиляции и уничтожения отходов.

С некоторыми вирусами работают в разных условиях в зависимости от типа исследований. SARS-CoV-2 отнесен ко II группе. Но когда речь идет об опытах, не связанных с накоплением вируса (размножением в клетках), SARS-CoV-2, как и другие такие вирусы, рассматривается как вирус III категории. Однако все процедуры по обеспечению безопасности сохраняются и в этом случае.

Интересно, что в лабораториях до сих пор хранятся запасы вирусов, с которыми человечество уже давно справилось, например вируса оспы. С одной стороны, оспой не болели с 1979 года. Стоит ли хранить ее образцы, ведь, несмотря на все меры безопасности, исключать фактор банальной человеческой ошибки нельзя? 

С другой стороны, нет гарантий того, что однажды оспа не вернется к человеку по исключительно естественным причинам. Оспой болеют овцы, козы и ближайшие к нам эволюционно, то есть обезьяны. Поэтому даже сейчас есть необходимость держать старые запасы на всякий случай: вдруг нам понадобится срочно создать вакцину?

Об авторе: Сергей Альховский – доктор биологических наук, заведующий лабораторией биотехнологии Института вирусологии им. Д. И. Ивановского Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru


Читать статьи по темам:

генетически модифицированные вирусы псевдонаука Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Человечество убьют биохакеры

Создать болезнь, способную уничтожить человечество, природа уже не сможет. С этой задачей справятся биотехнологии – через 10 лет смертельные вирусы будут создавать биохакеры на дешевых домашних устройствах. Мывсеумрём!

читать

Вирус оспы против рака

Британские и китайские ученые разработали платформу для лечения рака поджелудочной железы на основе модифицированного вируса оспы.

читать

Герпес против герпеса

Прототип вакцины от генитального герпеса создали на основе генетически модифицированного вируса простого герпеса.

читать

Сделано в Сибири

Предполагается, что первая стадия клинических испытаний онколитического вируса начнется осенью и займет полтора года.

читать

Против диабета и артрита

Генетически модифицированные вирусы растений избавили мышей от неизлечимых аутоиммунных заболеваний.

читать

Коронавирус для мышей

На мышах, зараженных специально созданным штаммом SARS-CoV-2, протестировали экспериментальную субъединичную вакцину.

читать