Czy wirusy żyją? oto jest pytanie...

W dobie pandemii SARS-CoV-2 każdy z nas dowiedział się wiele o wirusach i przenoszonych przez nie chorobach. Wirusy to niesamowite twory biologiczne, najmniejsze i najliczniejsze na naszej planecie. Naukowcy cały czas nie są zgodni co do tego, czy można uznać je za żywe organizmy czy jednak za cząstki nieożywione. Odkrycie wirusów przypisuje się D. Ivanovskiemu i E. Beijerinckowi, którzy, choć wirusów jeszcze nie zobaczyli naocznie, w 1892 i 1898 roku udowodnili, że istnieją jakieś jeszcze nieznane czynniki zakaźne powodujące choroby (w ich przypadku był to wirus mozaiki tytoniu) które są o wiele mniejsze od bakterii. Na dokładne zobaczenie i zbadanie cząstek wirusa trzeba było poczekać jeszcze bardzo wiele lat, dopóki nie wynaleziono niesamowicie potężnego mikroskopu elektronowego. Zatem teraz przejdźmy do niesamowitej historii tego, jak ludzkość oglądała wirusy.

Kolejna była ospa

Dr. J. Buist z Edynburga był pierwszą osobą, która w 1886 r. zobaczyła, i to na własne oczy, cząstki wirusa. Jednak naukowiec jeszcze nie wiedział co właściwie widzi. Szukając źródeł choroby, dr Buist pobrał i wybarwił aniliną osocze krwi od chorych na ospę. W mikroskopie świetlnym zaobserwował “coś”, co jak stwierdził, jest przyczyną choroby. Jak sam wtedy to określił, widział „mikrokoki” w osoczu chorych na ospę myśląc, że to po prostu duże bakterie. Teraz wiemy, że najprawdopodobniej były to duże agregaty wirusa ospy krowianki, jednego z większych wirusów, jednak sam Buist jeszcze nie znał wtedy określenia “wirus”. 

Jak wspomniałam, wirusy odkryto tak naprawdę dopiero w latach 90-tych XIX wieku. Nazywając agregaty wirusa zarodnikami mikrokoków, oszacował ich wielkość na około 150 nm. Teraz wiemy, że nie doszacował ich wielkości co najmniej 2x (wielkość wirusa ospy to 302-350 nanometrów), jednak biorąc pod uwagę to, jakie miał wtedy możliwości, i tak było to całkiem trafne oszacowanie. 

W następnych latach, wraz z rozwojem i udoskonalaniem mikroskopów optycznych, w wielu próbach pobranych od chorych obserwowano „ciała inkluzyjne” - agregaty wielu różnych cząstek wirusów. Jednak obserwacje dokonane pod mikroskopem świetlnym były wciąż niedoskonałe i niedokładne na tyle, aby ujawnić jakąkolwiek szczegółową strukturę wirusów. Dopiero wynalezienie mikroskopu elektronowego w 1931r. zrewolucjonizowało świat nauki pozwalając bliżej przyjrzeć się mikroorganizmom oraz wirusom.

Widzimy coraz więcej

Wynalezienie mikroskopu elektronowego w 1931 r. przez niesamowicie utalentowanych niemieckich inżynierów Ernsta Ruskę i Maxa Knolla, w końcu pozwoliło na przyjrzenie się szczegółowo wirusom i wykazało, że cząstki wirusowe mają złożoną strukturę. Co więcej dzięki mikroskopii elektronowej można było dokładniej oszacować rozmiary wirusów. Ernst Ruska za fundamentalną pracę w dziedzinie optyki elektronowej i zaprojektowanie pierwszego mikroskopu elektronowego otrzymał w 1986 r. połowę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Drugą połowę podzielono po równo między innych niemieckich uczonych - Gerda Binniga i Heinricha Rohrera „za projekt skaningowego mikroskopu tunelowego”.

Rysunek 1. Pierwszy mikroskop elektronowy, opublikowany przez Maxa Knolla i Ernsta Ruskę (1932) [1].

Trzeba przyznać, że niemieccy naukowcy nie mieli sobie równych jeśli chodzi o projektowanie skomplikowanych mikroskopów, które pozwoliły ludzkości oglądać rzeczy w skali nano. W uproszczeniu, mikroskop elektronowy wykorzystuje strumień elektronów do obserwacji próbek. Elektrony w mikroskopie elektronowym przyspieszane są przez elektrody do bardzo wysokich prędkości a następnie, strumień elektronów przechodzi przez próbkę. Część z nich ulega rozproszeniu lub odbiciu, co jest zależne od rodzaju próbki i jej właściwości. Elektrony te są następnie zbierane przez detektory, które generują sygnał elektryczny. Sygnał ten jest następnie przetwarzany i wyświetlany na ekranie, tworząc obraz mikroskopowy.

Supermikroskop

Projekt mikroskopu elektronowego, zwanego wtedy supermikroskopem, spodobał się bratu Ernsta Ruski, Helmutowi, który postanowił badać nim próbki biologiczne. Jako lekarz, Helmut Ruska zainteresowany był w szczególności próbami od pacjentów chorych na choroby zakaźne, gdzie czynników zakaźnych nie widać pod mikroskopem świetlnym, ze względu na ich wielkość. Niezwykle trudne do zobrazowania w mikroskopie elektronowym wirusy wymagały od naukowców trochę manipulacji i optymalizacji podczas przygotowania próby. Na pierwszy ogień wzięto wirusa TMV - wirusa mozaiki tytoniu. Zanim Helmut Ruska badał wirusy zajmował się bakteriami, TMV był jednak w latach 30-tych XX wieku preferowanym obiektem badawczym w badaniach biochemicznych i rozwijającej się dziedzinie wirusologii. Dodatkowo, TMV był dla Ruska wirusem łatwo dostępnym, gdyż posiadali go jego koledzy z Berlina. H. Ruska zatem postanowił pożyczyć wirusa TMV i spróbować zrobić mu zdjęcia mikroskopem elektronowym. W późniejszym czasie TMV okazał się być ulubionym obiektem badawczym H. Ruska.

Rysunek 2. Nagłówek publikacji oraz zdjęcie TMV z mikroskopu elektronowego [2, 4].

Bo najważniejsze jest przygotowanie

Podczas gdy łatwiejsze w obrazowaniu bakterie można było nakładać bezpośrednio na tradycyjny wtedy w użytkowaniu film nośny, wirusy potrzebowały innego, bardziej skomplikowanego przygotowania - Helmutowi Rusce udało się zrobić bardzo cienkie warstwy folii kolodionowej o grubości do 10 nm - folii wytrzymałej, ale jednocześnie dość “przezroczystej” dla wiązki elektronów. Aby jeszcze lepiej uwidocznić mało kontrastujące i niewielkie (15 nm) wiriony wirusa TMV, do prób dodawano „gęste elektronowo” koloidalne złoto.

Rysunek 3. Strona tytułowa publikacji oraz pierwsze opublikowane mikrografie elektronowe wirusów. Były to wirusy zwierzęce z rodziny pokswirusów [2, 5].

Pierwsze sukcesy

Pierwsze udane zdjęcia elektronowe bakterii i wirusa TMV zostały przedstawione w 1938 r. na co najmniej trzech spotkaniach naukowych: przez Helmuta Ruskę w Berlinie przed Berlińskim Towarzystwem Medycznym 22 lipca (Verhandlungsberichte 1938) oraz w Zurychu na V Międzynarodowym Kongresie Badań nad Komórkami 12 sierpnia; oraz przez Bodo von Borries’a w Stuttgarcie na Kongresie Towarzystwa Przyrodników i Lekarzy, 18–21 września 1938 r. Pierwsza publikacja Helmuta Ruski ze zdjęciami z mikroskopu elektronowego dotyczyła bakterii i ukazała się w 1938 roku. Jej współautorami byli Bodo von Borries i Ernst Ruska. 

Następna publikacja z 1938 roku, „Bakterien und Virus in übermikroskopischer Aufnahme” („Bakterie i wirusy w obrazach z mikroskopu elektronowego”) zawierała pierwsze kiedykolwiek otrzymane obrazy wirusa z mikroskopu elektronowego. Nie był to jeszcze wirus TMV lecz wirusy zwierzęce z rodziny ortopokswirusów (np. wirusy ospy). Jako następne, w 1939 roku, opublikowano obrazy wirusów roślinnych, TMV i wirusa ziemniaka PVX. W 1940 roku Ruska opublikował natomiast pierwsze zdjęcia bakteriofagów - wirusów infekujących bakterie.

Rysunek 4. Pierwsze mikrografie elektronowe bakteriofagów wraz z gospodarzem - bakteriami Escherichia coli [2, 6].

Pod koniec lat trzydziestych i na początku lat czterdziestych Helmut Ruska opublikował aż około 20 doniesień ze zdjęciami elektronowymi bakterii, pasożytów i różnych wirusów — np. wirusów ospy krowianki, ospy wietrznej, mozaiki tytoniu, bakteriofagów. H. Ruska podsumował swoje główne badania nad naturą i biologią bakteriofagów w swojej pracy doktorskiej, a w 1943 roku został wykładowcą medycyny na Uniwersytecie Berlińskim. H. Ruska, choć dziś mało znany i żyjący w cieniu brata Noblisty naukowiec, zdecydowanie grał ważną rolę podczas wczesnego rozwoju mikroskopii elektronowej. Poprzez swoje badawcze zainteresowania nad przygotowaniem trudnych próbek biologicznych do mikroskopu elektronowego, stał się siłą napędową rozwoju mikroskopii i jej zastosowania w badaniach biomedycznych.

Rysunek 5. Rok 1955, Helmut Ruska (stoi po lewej) podczas wizyty w Albany w stanie Nowy Jork wraz z bratem Ernstem (po prawej) i (za sterami) Otto Wolffem omawiają wydajność nowo opracowanego mikroskopu elektronowego o nazwie Elmiskop I [2].

Dziś, mikroskopy elektronowe charakteryzują się o wiele lepszą rozdzielczością niż w czasach Ruska. Możliwości jakie dał nam rozwój technologii pozwoliły na obrazowanie jeszcze większych szczegółów w budowie nawet najmniejszych wirusów. Przykładem współczesnych możliwości mikroskopów elektronowych mogą być zdjęcia wirusa SARS-CoV-2, które uwidaczniają szczegółowo jak wygląda wirus.

Rysunek 6. Transmisyjna mikrografia elektronowa cząstek wirusa SARS-CoV-2 wyizolowanych od pacjenta w 2020 roku. Zdjęcie zrobione i pokolorowane komputerowo w NIAID Integrated Research Facility (IRF) w Fort Detrick, Maryland. Źródło: NIAID [8, 9].

Mikroskopy elektronowe są niesamowitą technologią, pozwalającą na badanie mikroskopijnych detali z ogromną precyzją i dokładnością. Ich wykorzystanie w dziedzinach takich jak biologia, chemia czy nanotechnologia pozwala na uzyskanie cennych informacji, które w inny sposób nie byłyby dostępne. Dalszy rozwój mikroskopii elektronowej i zastosowań tego typu urządzeń może przynieść jeszcze więcej odkryć i wiedzy na temat świata wirusów, co z pewnością przyczyni się do dalszego postępu w wielu dziedzinach nauki.

Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 01 paź 2023