Historia wirusologii - History of virology

Zdjęcie z mikroskopu elektronowego cząstek wirusa mozaiki tytoniu w kształcie pręcików, które są zbyt małe, aby można je było zobaczyć pod mikroskopem świetlnym

Historii wirusologii - naukowe badanie wirusów i infekcji one powodują - rozpoczęła się w latach zamknięcia 19. wieku. Chociaż Louis Pasteur i Edward Jenner opracowali pierwsze szczepionki chroniące przed infekcjami wirusowymi, nie wiedzieli o istnieniu wirusów. Pierwsze dowody na istnienie wirusów pochodziły z eksperymentów z filtrami, których pory były wystarczająco małe, aby zatrzymać bakterie. W 1892 r. Dmitrij Iwanowski użył jednego z tych filtrów, aby wykazać, że sok z chorej rośliny tytoniu pozostał zakaźny dla zdrowych roślin tytoniu, mimo że został przefiltrowany. Martinus Beijerinck nazwał przefiltrowaną, zakaźną substancję „wirusem” i to odkrycie uważane jest za początek wirusologii .

Późniejsze odkrycie i częściowa charakterystyka bakteriofagów przez Fredericka Tworta i Félixa d'Herelle dalej katalizowała tę dziedzinę i na początku XX wieku odkryto wiele wirusów. W 1926 Thomas Milton Rivers zdefiniował wirusy jako pasożyty obligatoryjne. Wendell Meredith Stanley wykazał, że wirusy są cząstkami, a nie płynem, a wynalezienie w 1931 mikroskopu elektronowego umożliwiło wizualizację ich złożonych struktur.

Pionierzy

Adolfa Mayera w 1875 r.

Dymitr Iwanowski , ca. 1915

Martinus Beijerinck w swoim laboratorium w 1921 roku.

Pomimo innych sukcesów Louis Pasteur (1822-1895) nie był w stanie znaleźć czynnika wywołującego wściekliznę i spekulował na temat patogenu zbyt małego, aby można go było wykryć za pomocą mikroskopu. W 1884 roku francuski mikrobiolog Charles Chamberland (1851–1931) wynalazł filtr – znany dziś jako filtr Chamberlanda – który miał pory mniejsze niż bakterie. W ten sposób mógł przepuścić roztwór zawierający bakterie przez filtr i całkowicie usunąć je z roztworu.

W 1876 roku Adolf Mayer , który kierował Rolniczą Stacją Doświadczalną w Wageningen , jako pierwszy wykazał, że to, co nazwał „chorobą mozaiki tytoniu” jest zakaźne. Uważał, że jest to spowodowane albo toksyną, albo bardzo małą bakterią. Później, w 1892 roku, rosyjski biolog Dmitrij Iwanowski (1864-1920) użył filtra Chamberlanda do badania tego, co jest obecnie znane jako wirus mozaiki tytoniu . Jego eksperymenty wykazały, że ekstrakty z pokruszonych liści z zainfekowanych roślin tytoniu pozostają zakaźne po filtracji. Ivanovsky zasugerował, że infekcja może być spowodowana przez toksynę wytwarzaną przez bakterie, ale nie kontynuował tego pomysłu.

W 1898 roku holenderski mikrobiolog Martinus Beijerinck (1851–1931), nauczyciel mikrobiologii w Szkole Rolniczej w Wageningen, powtórzył eksperymenty Adolfa Mayera i przekonał się, że filtrat zawiera nową formę czynnika zakaźnego. Zaobserwował, że czynnik namnaża się tylko w dzielących się komórkach i nazwał go contagium vivum fluidum (rozpuszczalny żywy zarazek) i ponownie wprowadził słowo wirus . Beijerinck utrzymywał, że wirusy są z natury płynne, co później zdyskredytował amerykański biochemik i wirusolog Wendell Meredith Stanley (1904-1971), który udowodnił, że są one w rzeczywistości cząstkami. W tym samym roku 1898 Friedrich Loeffler (1852-1915) i Paul Frosch (1860-1928) przepuszczali pierwszy wirus zwierzęcy przez podobny filtr i odkryli przyczynę pryszczycy .

Pierwszym zidentyfikowanym ludzkim wirusem był wirus żółtej gorączki. W 1881 r. Carlos Finlay (1833–1915), kubański lekarz, po raz pierwszy przeprowadził i opublikował badania, które wykazały, że komary przenoszą żółtą febrę, co zostało potwierdzone w 1900 r. przez komisję pod przewodnictwem Waltera Reeda (1851–1902). W latach 1901 i 1902 William Crawford Gorgas (1854-1920) zorganizował zniszczenie siedlisk lęgowych komarów na Kubie, co radykalnie zmniejszyło częstość występowania choroby. Gorgas zorganizował później eliminację komarów z Panamy, co pozwoliło na otwarcie Kanału Panamskiego w 1914 roku. Wirus został ostatecznie wyizolowany przez Maxa Theilera (1899-1972) w 1932 roku, który opracował skuteczną szczepionkę.

Do roku 1928 wiedza o wirusach była wystarczająca, aby umożliwić publikację Filterable Viruses , zbioru esejów obejmujących wszystkie znane wirusy, pod redakcją Thomasa Miltona Riversa (1888-1962). Rivers, który przeżył dur brzuszny, nabawiony w wieku dwunastu lat, zrobił wspaniałą karierę w dziedzinie wirusologii. W 1926 roku został zaproszony do przemówienia na spotkaniu zorganizowanym przez Towarzystwo Bakteriologii Amerykańskiej, na którym po raz pierwszy powiedział: „Wirusy wydają się obowiązkowymi pasożytami w tym sensie, że ich rozmnażanie zależy od żywych komórek”.

Pogląd, że wirusy są cząstkami, nie był uważany za nienaturalny i dobrze pasował do teorii zarazków . Przypuszcza się, że dr J. Buist z Edynburga był pierwszą osobą, która zobaczyła cząstki wirusa w 1886 r., kiedy zgłosił „mikrokoki” w limfie szczepionkowej, chociaż prawdopodobnie zaobserwował grudki krowianki . W następnych latach, w miarę ulepszania mikroskopów optycznych, w wielu komórkach zakażonych wirusem pojawiły się „ciała inkluzyjne”, ale te agregaty cząsteczek wirusa były wciąż zbyt małe, aby ujawnić jakąkolwiek szczegółową strukturę. Dopiero wynalezienie mikroskopu elektronowego w 1931 r. przez niemieckich inżynierów Ernsta Ruskę (1906-1988) i Maxa Knolla (1887-1969) wykazało , że cząsteczki wirusa, zwłaszcza bakteriofagi , mają złożoną strukturę. Rozmiary wirusów określone za pomocą tego nowego mikroskopu dobrze pasowały do ​​tych oszacowanych na podstawie eksperymentów filtracyjnych. Oczekiwano, że wirusy będą małe, ale zakres rozmiarów był zaskoczeniem. Niektóre były tylko trochę mniejsze niż najmniejsze znane bakterie, a mniejsze wirusy były podobnej wielkości do złożonych cząsteczek organicznych.

W 1935 Wendell Stanley zbadał wirusa mozaiki tytoniu i stwierdził, że składa się on głównie z białka. W 1939 Stanley i Max Lauffer (1914) rozdzielili wirusa na białko i kwas nukleinowy , co zostało wykazane przez habilitanta Stanleya, Huberta S. Loringa, że ​​jest to specyficzny RNA . Odkrycie RNA w cząstkach było ważne, ponieważ w 1928 r. Fred Griffith (ok. 1879–1941) dostarczył pierwszego dowodu na to, że jego „kuzyn”, DNA , utworzył geny .

W czasach Pasteura i przez wiele lat po jego śmierci słowo „wirus” było używane do opisywania każdej przyczyny choroby zakaźnej. Wielu bakteriologów wkrótce odkryło przyczynę licznych infekcji. Jednak niektóre infekcje pozostały, wiele z nich było przerażających, dla których nie udało się znaleźć przyczyny bakteryjnej. Te czynniki były niewidoczne i mogły być hodowane tylko na żywych zwierzętach. Odkrycie wirusów utorowało drogę do zrozumienia tych tajemniczych infekcji. I chociaż postulaty Kocha nie mogły zostać spełnione dla wielu z tych infekcji, nie powstrzymało to pionierów wirusologów przed szukaniem wirusów w infekcjach, dla których nie można było znaleźć innej przyczyny.

Bakteriofagi

Fag

Odkrycie

Bakteriofagi to wirusy, które infekują i namnażają się w bakteriach. Odkrył je na początku XX wieku angielski bakteriolog Frederick Twort (1877–1950). Ale wcześniej, w 1896 roku, bakteriolog Ernest Hanbury Hankin (1865–1939) doniósł, że coś w wodach Gangesu może zabić Vibrio cholerae – przyczynę cholery . Środek znajdujący się w wodzie mógł przejść przez filtry, które usuwają bakterie, ale został zniszczony przez gotowanie. Twort odkrył działanie bakteriofagów na bakterie gronkowców . Zauważył, że gdy hodowano na agarze odżywczym, niektóre kolonie bakterii stawały się wodniste lub „szkliste”. Zebrał niektóre z tych wodnistych kolonii i przepuścił je przez filtr Chamberlanda, aby usunąć bakterie i odkrył, że kiedy filtrat został dodany do świeżych kultur bakterii, te z kolei stały się wodniste. Zasugerował, że czynnik może być „amebą, wirusem ultramikroskopowym, żywą protoplazmą lub enzymem o mocy wzrostu”.

Félix d'Herelle (1873-1949) był głównie samoukiem francusko-kanadyjskim mikrobiologiem. W 1917 r. odkrył, że „niewidzialny antagonista”, dodany do bakterii na agarze , wytworzy obszary martwych bakterii. Antagonista, obecnie znany jako bakteriofag, mógł przejść przez filtr Chamberlanda. Dokładnie rozcieńczył zawiesinę tych wirusów i odkrył, że najwyższe rozcieńczenia (najniższe stężenia wirusów), zamiast zabijać wszystkie bakterie, tworzą oddzielne obszary martwych organizmów. Zliczenie tych obszarów i pomnożenie przez współczynnik rozcieńczenia pozwoliło mu obliczyć liczbę wirusów w oryginalnej zawiesinie. Zdał sobie sprawę, że odkrył nową formę wirusa, a później ukuł termin „bakteriofag”. W latach 1918-1921 d'Herelle odkrył różne typy bakteriofagów, które mogły infekować kilka innych gatunków bakterii, w tym Vibrio cholerae . Bakteriofagi były ogłaszane jako potencjalne leczenie chorób takich jak dur brzuszny i cholera , ale ich obietnica została zapomniana wraz z rozwojem penicyliny . Od wczesnych lat 70. bakterie nadal rozwijały oporność na antybiotyki, takie jak penicylina , co doprowadziło do ponownego zainteresowania wykorzystaniem bakteriofagów w leczeniu poważnych infekcji .

Wczesne badania 1920-1940

D'Herelle podróżowała szeroko, promując stosowanie bakteriofagów w leczeniu infekcji bakteryjnych. W 1928 został profesorem biologii w Yale i założył kilka instytutów badawczych. Był przekonany, że bakteriofagi są wirusami pomimo sprzeciwu uznanych bakteriologów, takich jak laureat Nagrody Nobla Jules Bordet (1870-1961). Bordet twierdził, że bakteriofagi nie są wirusami, ale tylko enzymami uwalnianymi przez bakterie „lizogenne” . Powiedział, że „niewidzialny świat d'Herelle nie istnieje”. Jednak w latach 30. XX wieku dowód na to, że bakteriofagi są wirusami, dostarczył Christopher Andrewes (1896-1988) i inni. Wykazali, że wirusy te różniły się wielkością oraz właściwościami chemicznymi i serologicznymi . W 1940 roku opublikowano pierwszą mikrografię elektronową bakteriofaga, co uciszyło sceptyków, którzy twierdzili, że bakteriofagi są stosunkowo prostymi enzymami, a nie wirusami. Wiele innych rodzajów bakteriofagów zostało szybko odkrytych i wykazano, że infekują bakterie, gdziekolwiek zostaną znalezione. Wczesne badania przerwała II wojna światowa . d'Herelle, pomimo swojego kanadyjskiego obywatelstwa, był internowany przez rząd Vichy do końca wojny.

Epoka nowożytna

Wiedza o bakteriofagach wzrosła w latach 40. po utworzeniu Grupy Fagów przez naukowców w całych Stanach Zjednoczonych. Wśród członków był Max Delbrück (1906-1981), który założył kurs na temat bakteriofagów w Cold Spring Harbor Laboratory . Innymi kluczowymi członkami Grupy Fagów byli Salvador Luria (1912-1991) i Alfred Hershey (1908-1997). W latach pięćdziesiątych Hershey i Chase dokonali ważnych odkryć na temat replikacji DNA podczas swoich badań nad bakteriofagiem zwanym T2 . Razem z Delbruckiem otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w 1969 roku w dziedzinie fizjologii lub medycyny „za odkrycia dotyczące mechanizmu replikacji i struktury genetycznej wirusów”. Od tego czasu badania bakteriofagów dostarczyły wglądu w włączanie i wyłączanie genów oraz użyteczny mechanizm wprowadzania obcych genów do bakterii i wielu innych fundamentalnych mechanizmów biologii molekularnej .

Wirusy roślinne

W 1882 r. Adolf Mayer (1843–1942) opisał stan tytoniu, który nazwał „chorobą mozaikową” („mozaïkziekte”). Chore rośliny miały różnobarwne liście z cętkami . Wykluczył możliwość infekcji grzybiczej i nie mógł wykryć żadnej bakterii i spekulował, że w grę wchodzi „rozpuszczalna, podobna do enzymu zasada zakaźna”. Nie kontynuował swojego pomysłu, a eksperymenty filtracyjne Ivanovsky'ego i Beijerincka sugerowały, że przyczyną był wcześniej nierozpoznany czynnik zakaźny. Po uznaniu mozaiki tytoniowej za chorobę wirusową odkryto infekcje wirusowe wielu innych roślin.

Nie można przecenić znaczenia wirusa mozaiki tytoniu w historii wirusów. Był to pierwszy wykryty wirus i pierwszy, który wykrystalizował, a jego struktura została szczegółowo pokazana. Pierwsze zdjęcia rentgenowskie skrystalizowanego wirusa uzyskali Bernal i Fankuchen w 1941 roku. Na podstawie jej zdjęć Rosalind Franklin odkryła pełną strukturę wirusa w 1955 roku. W tym samym roku Heinz Fraenkel-Conrat i Robley Williams wykazał, że oczyszczony RNA wirusa mozaiki tytoniu i jego białko otoczki mogą same się łączyć, tworząc funkcjonalne wirusy, co sugeruje, że ten prosty mechanizm był prawdopodobnie środkiem do tworzenia wirusów w komórkach gospodarza.

Do roku 1935 uważano, że wiele chorób roślin jest powodowanych przez wirusy. W 1922 r. John Kunkel Small (1869–1938) odkrył, że owady mogą działać jako wektory i przenosić wirusy na rośliny. W następnej dekadzie wykazano, że wiele chorób roślin jest powodowanych przez wirusy przenoszone przez owady, aw 1939 roku Francis Holmes , pionier wirusologii roślin, opisał 129 wirusów wywołujących choroby roślin. Nowoczesne, intensywne rolnictwo zapewnia bogate środowisko dla wielu wirusów roślinnych. W 1948 r. w stanie Kansas w USA 7% upraw pszenicy zostało zniszczonych przez wirus mozaiki smug pszenicy . Wirus był przenoszony przez roztocza Aceria tulipae .

W 1970 roku rosyjski wirusolog roślin Joseph Atabekov odkrył, że wiele wirusów roślinnych infekuje tylko jeden gatunek rośliny żywicielskiej. Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów teraz rozpoznaje ponad 900 wirusów roślinnych.

XX wiek

Pod koniec XIX wieku wirusy były definiowane pod kątem ich zakaźności , zdolności do filtrowania i zapotrzebowania na żywych żywicieli. Do tego czasu wirusy hodowano tylko w roślinach i zwierzętach, ale w 1906 r. Ross Granville Harrison (1870–1959) wynalazł metodę hodowli tkanki w limfie , a w 1913 r. E Steinhardt, C Israeli i RA Lambert wykorzystali tę metodę do hodowli wirusa krowianki we fragmentach tkanki rogówki świnki morskiej. W 1928 HB i MC Maitland wyhodowali wirusa krowianki w zawiesinach mielonych nerek kur. Ich metoda nie została powszechnie przyjęta aż do lat pięćdziesiątych, kiedy wirus polio był hodowany na dużą skalę do produkcji szczepionek. W latach 1941–1942 George Hirst (1909–1994) opracował testy oparte na hemaglutynacji do ilościowego oznaczania szerokiego zakresu wirusów, a także swoistych dla wirusów przeciwciał w surowicy.

Grypa

Kobieta pracująca podczas epidemii grypy 1918–1919. Maska na twarz prawdopodobnie zapewniała minimalną ochronę.

Chociaż wirus grypy, który spowodował pandemię grypy w latach 1918-1919, został odkryty dopiero w latach 30. XX wieku, opisy choroby i późniejsze badania wykazały, że to on był winien. Pandemia zabiła 40-50 milionów ludzi w czasie krótszym niż rok, ale dowodem na to, że została spowodowana przez wirusa nie uzyskano aż 1933. Haemophilus influenzae jest bakterią, która powszechnie oportunistyczne infekcje grypy następująco; doprowadziło to wybitnego niemieckiego bakteriologa Richarda Pfeiffera (1858-1945) do błędnego wniosku, że ta bakteria była przyczyną grypy. Wielki przełom nastąpił w 1931 roku, kiedy amerykański patolog Ernest William Goodpasture wyhodował grypę i kilka innych wirusów w zapłodnionych jajach kurcząt. Hirst zidentyfikował aktywność enzymatyczną związaną z cząsteczką wirusa, później scharakteryzowaną jako neuraminidaza , co po raz pierwszy wykazało, że wirusy mogą zawierać enzymy. Frank Macfarlane Burnet wykazał na początku lat pięćdziesiątych, że wirus rekombinuje z dużą częstotliwością, a Hirst później wywnioskował, że ma segmentowany genom.

Paraliż dziecięcy

W 1949 r. John F. Enders (1897–1985) Thomas Weller (1915–2008) i Frederick Robbins (1916–2003) po raz pierwszy wyhodowali wirusa polio w hodowlach ludzkich komórek embrionalnych, pierwszego wirusa hodowanego bez użycia stałych tkanka zwierzęca lub jaja. Infekcje wirusem polio najczęściej powodują najłagodniejsze objawy. Nie było to znane, dopóki wirus nie został wyizolowany z hodowanych komórek i wiele osób miało łagodne infekcje, które nie prowadziły do ​​poliomyelitis. Jednak w przeciwieństwie do innych infekcji wirusowych, częstość występowania polio – rzadszej ciężkiej postaci infekcji – wzrosła w XX wieku i osiągnęła szczyt około 1952 roku. Wynalezienie systemu hodowli komórek do hodowli wirusa umożliwiło Jonasowi Salkowi (1914-1995) ) opracowanie skutecznej szczepionki przeciwko polio .

Wirus Epsteina-Barra

Denis Parsons Burkitt (1911-1993) urodził się w Enniskillen w hrabstwie Fermanagh w Irlandii. Był pierwszym, który opisał rodzaj raka, który teraz nosi jego imię chłoniak Burkitta . Ten typ raka był endemiczny w Afryce równikowej i był najczęstszym nowotworem złośliwym u dzieci na początku lat sześćdziesiątych. Próbując znaleźć przyczynę raka, Burkitt wysłał komórki z guza do Anthony'ego Epsteina (ur. 1921), brytyjskiego wirusologa, który wraz z Yvonne Barr i Bertem Achongiem (1928-1996) i po wielu niepowodzeniach odkrył wirusy przypominający wirusa opryszczki w płynie otaczającym komórki. Wirus okazał się później nierozpoznanym wcześniej wirusem opryszczki, który obecnie nazywa się wirusem Epsteina-Barra . Co zaskakujące, wirus Epsteina-Barra jest bardzo powszechną, ale stosunkowo łagodną infekcją Europejczyków. Nie do końca wiadomo, dlaczego może powodować tak wyniszczającą chorobę u Afrykanów, ale można winić za to zmniejszoną odporność na wirusy wywołane przez malarię . Wirus Epsteina-Barra jest ważny w historii wirusów, ponieważ jest pierwszym wirusem, który powoduje raka u ludzi.

Koniec XX i początek XXI wieku

Rotawirusa cząstki

Druga połowa XX wieku była złotym wiekiem odkrycia wirusów i większość z 2000 rozpoznanych gatunków wirusów zwierzęcych, roślinnych i bakteryjnych została odkryta w tych latach. W 1946 odkryto bydlęcą biegunkę wirusową , która nadal jest prawdopodobnie najczęstszym patogenem bydła na całym świecie, a w 1957 odkryto końskiego arteriwirusa . W latach pięćdziesiątych udoskonalenia metod izolacji i wykrywania wirusów doprowadziły do ​​odkrycia kilku ważnych ludzkich wirusów, w tym wirusa ospy wietrznej i półpaśca , paramyksowirusów , w tym wirusa odry i syncytialnego wirusa oddechowego, oraz rinowirusów powodujących przeziębienie . W latach 60. odkryto więcej wirusów. W 1963 wirus zapalenia wątroby typu B został odkryty przez Barucha Blumberga (ur. 1925). Odwrotna transkryptaza , kluczowy enzym używany przez retrowirusy do translacji swojego RNA do DNA, została po raz pierwszy opisana w 1970 roku, niezależnie przez Howarda Temina i Davida Baltimore'a (ur. 1938). Było to ważne dla rozwoju leków przeciwwirusowych – kluczowego punktu zwrotnego w historii infekcji wirusowych. W 1983 roku Luc Montagnier (ur. 1932) i jego zespół z Instytutu Pasteura we Francji po raz pierwszy wyizolowali retrowirusa zwanego obecnie HIV. W 1989 roku Michael Houghton zespół „s przy Chiron Corporation odkryli zapalenia wątroby typu C . W każdej dekadzie drugiej połowy XX wieku odkrywano nowe wirusy i szczepy wirusów. Odkrycia te były kontynuowane w XXI wieku, gdy pojawiły się nowe choroby wirusowe, takie jak SARS i wirus nipah . Pomimo osiągnięć naukowców w ciągu ostatnich stu lat wirusy nadal stwarzają nowe zagrożenia i wyzwania.

Zobacz też

• Lista wirusów

Bibliografia