Как выглядят вирусы под микроскопом. Вирусы под микроскопом

Болезнетворные микроорганизмы (вирусы, бактерии и многие другие) могут вызывать тяжелые инфекционные заболевания, преодолевая естественную сопротивляемость организма человека.

Инфекционные заболевания вызываются живыми организмами, способными видоизменяться и эволюционировать. Этот процесс у микроорганизмов происходит значительно быстрее, чем у людей, позволяя вирусам и бактериям находить новые способы противостоять лекарственным препаратам.

Бактерия туберкулёза, увеличенная в 10 тысяч раз. Туберкулёз — широко распространённое в мире инфекционное заболевание человека и животных, вызываемое различными видами микобактерий, как правило, видами Mycobacterium tuberculosis complex.

Микроскопические частицы Коронавирусов. Коронавирусы — семейство, включающее около одиннадцати видов вирусов, поражающих человека, кошек, птиц, собак, крупный рогатый скот и свиней.

Бактерия Neisseria meningitidis , которая вызывает тяжёлое заболевание - менингококковый менингит. На снимке бактерия увеличена в 33 тысячи раз.

Стержень бактерии (Bacillus) сибирской язвы , увеличенный в 18 тысяч 300 раз. Сибирская язва (карбункул злокачественный, антракс) — особо опасная инфекционная болезнь сельскохозяйственных и диких животных всех видов, а также человека.

Эта красочная картина на самом деле - вирус Эбола . Вызывает геморрагическую лихорадку Эбола. Размножается так быстро, что пораженные клетки организма превращаются в кристаллоподобные блоки уплотненных частиц вируса.

Вирус гриппа , состоящий из рибонуклеиновой кислоты, окруженной нуклеокапсидой (красный) и липидной оболочкой (зеленый). Снимок увеличен в 230 тысяч раз. Вирусы гриппа А поражают человека и некоторые виды животных (лошади, свиньи) и птиц. Вирусы гриппа типов В и С патогенны только для людей.

Оспа - одно из древнейших заболеваний. В прошлом она была самой распространенной и самой опасной болезнью.

Вирусы оспы — самые крупные вирусы, содержащие ДНК, молекулярная масса которой больше, чем у любого другого вируса животных.

Цветное изображение вируса папилломы , который является причиной появления бородавок у человека. Снимок увеличен в 60 тысяч раз.

Вирус Полиомиелита : генетический материал РНК происходит в ядре каждого вируса, окруженного белковой оболочкой (синий). Полиомиели́т — детский спинномозговой паралич, острое инфекционное заболевание, обусловленное поражением серого вещества спинного мозга полиовирусом.

Цветная, сканированная микрофотография бактерии спирохеты Borrelia Burgdorferi , способной вызвать болезнь Лайма у человека, пострадавшего от укуса клеща. Болезнь Лайма - заболевание с преимущественным поражением кожи, нервной и сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата, склонное к длительному течению.

Бактерия кишечной палочки , которая при определенных условиях может вызвать гастроэнтерит и инфекции мочевыводящих путей. Кишечная палочка является палочковидной бактерией, принадлежащей к группе факультативных анаэробов (живет и размножается только в условиях отсутствия прямого кислорода). Кишечная палочка имеет множество штаммов, большинство из которых принадлежит к естественной микрофлоре кишечника людей и помогает предотвращать развитие вредоносных микроорганизмов и синтезировать витамин К. Но некоторые ее разновидности способны вызвать серьезные отравления, кишечный дисбактериоз и колибактериоз.

Бактерия пневмококк , способная вызвать пневмонию верхних дыхательных путей у человека с иммунодефицитом. Пневмококк является лидером среди всех возбудителей тех или иных респираторных заболеваний.

ВИЧ (СПИД) под микроскопом. ВИЧ — вирус иммунодефицита человека, вызывающий ВИЧ-инфекцию — заболевание, последняя стадия которого известна как синдром приобретённого иммунодефицита (СПИД).

Неживой клеточный инфекционный агент, способный размножаться только в других клетках. По своему составу вирусы более близки биополимерам и вне клетки ведут себя именно так, не проявляя признаков живого. К классу живой природы они не относятся. Вирусы доставляют людям массу неудобств - существует целый класс опасных и досадных вирусных заболеваний, от герпеса до ВИЧ, которые не лечатся антибиотиками в принципе. Вирус (от лат. «яд») - это отдельный домен биологической природы, «организмы на грани живого». Исследование вирусов может пролить свет на другие возможные типы полуживых организмов, которые могут встретиться нам на просторах исследуемых галактик.

В середине XX века ученые разработали антибиотики - вещества, которые были способны уничтожить практически любой болезнетворный вирус и спасти жизни тысяч людей. Со временем многие бактерии и некоторые виды антибиотиков утратили свою силу и актуальность, но большинство из них применяется в медицине до сих пор. Например, ваш лечащий врач во время одного из приемов может выписать оксолиновую кислоту, которая входит в группу фторхинолонов. Но знаете ли вы, что из-за приема этого антибиотика у вас могут возникнуть проблемы с сердцем?

Многие виды опасных для жизни бактерий невосприимчивы к антибиотикам, и из-за этого ежегодно погибает около 700 000 людей. Конечно, исследователи со всего мира пытаются разработать новые лекарства, но процесс идет довольно долго, тогда как у них есть еще один, менее проверенный метод лечения инфекций - использование вирусов, поражающих бактерии. Недавно экспериментальный и крайне рискованный метод помог спасти жизнь девушке, вероятность выживания которой составлял менее одного процента. Как происходило лечение?

Вирусы слишком малы, чтобы их можно было разглядывать под обычным микроскопом. Поэтому их разглядывают под микроскопом электронным.
Давайте взглянем на некоторых из них:

Тут мы видим два вируса – слева стрелочкой показан ротавирус , справа – аденовирус . Видно, что он аденовирус имеет форму икосаэдра, а ротавирус – покрытый пупырышками шарик. Оба найдены в стуле ребенка с диареей (вызваной ротавирусом).



Кстати, заметьте технологический прогресс. Тут тоже изображен аденовирус, но деталей практически не разглядеть. Это статья 1984 года, а выше была – 2003.

Парвовирус . Он существенно меньше предыдущих двух (масштаб показан на обоих картинках). Даже под электронным микроскопом парвовирус разглядеть трудно.

А это родственник оспы. Овальная форма, примерно 200 нм в длину.

Вирус полиомиелита . Очень маленький, но очень зловредный. РНК, заключенная в белковую оболочку. Шкала - 100 нм.

Вирус гриппа . Покрыт липидной оболочкой, упорядоченной внутренней структуры не имеет. Видно, что вся его поверхность покрыта белками оболочки - HA и NA. Шкала - 100 нм.

А это клетки, зараженные вирусом Nodamura . Вирус собирается и накапливается внутри клеток, ему не нужно быть покрытым клеточной мембраной. Когда клетка переполняется, она лопается и вирусы выходят наружу.

А это клетки, зараженные вирусом SARS . Он собирает свой капсид около клеточной мембраны и потом отпочковывается от клетки, унося вместе с ней кусочек ее мембраны. Поэтому новые вирусные частицы выходят из клетки постепенно. Стрелкой показана вирусная частица в процессе сборки. Видно, что вирусные частицы находятся в пространстве между клетками.

Довольно старая, но неплохая фотография

На прошлой неделе российская компания Visual Science показала первую в мире модель вируса Зика атомного разрешения. По словам создателей, изображения, сделанные на основе этой модели - самые подробные и научно достоверные из всех, что есть на сегодняшний день. Вирусами компания занимается уже не первый год, в ее «Зоопарке» есть и ВИЧ, и Эбола, и грипп, многие другие. О том, по каким стандартам работают в Visual Science и почему свои модели авторы называют самими точными в мире, мы поговорили с основателем компании Иваном Константиновым.

Когда началась работа над созданием модели вируса и сколько времени она заняла?

Для нас это рекордная по срокам работа. Обычно большие и сложные вирусы занимают восемь-девять месяцев моделирования. В случае с Зика мы бросили на работу все наши ресурсы и справились за три недели.

Я так понимаю, что интерес к этому вирусу связан с наблюдаемой сейчас вспышкой и возможной эпидемией вируса в Северной Америке?

Вообще, мы никогда не делали свои модели под какие-то глобальные события, «к случаю». Даже вирус Эбола, изображение которого использовалось практически всеми мировыми СМИ во время недавней вспышки 2014 года было сделано задолго до самой вспышки. Мы выбираем вирусы исходя из того, насколько они распространены и опасны, насколько интересна их структура. И, конечно, насколько хорошо она изучена. Но модель вируса Зика - это для нас первый опыт такого «скоростногогорячего» моделирования.

Сколько человек трудилось над моделью?

(считает) Восемь человек.

Вы говорите о своих моделях как о «самых научно достоверных изображениях» из тех, что существуют на сегодняшний день. В связи с этим возникают два вопроса. Во-первых, что это значит - что вы в вкладываете в понятие «научной достоверности» по отношению к модели? И, во-вторых, как эта достоверность достигается?

Следует прежде всего сказать, что наша компания основана молекулярными биологами и специалистами по биоинформатике. Поэтому наш научный бэкграунд определяет то, как мы подходим к моделированию. В основе нашего моделирования - упор на научную экспертизу, которая позволяет избежать тех ошибок, которыми изобилуют модели, если над ними работают исключительно дизайнеры и художники. Где в работе над моделью нет научной составляющей.

При создании каждого вируса мы работаем по следующей схеме. Сначала анализируем все доступные публикации, которые касаются его структуры, на основе чего составляется глобальный обзор литературы, формируемый по неким определенным внутренним стандартам. Мы определяем, какие из компонентов вируса изучены полностью - для которых из них есть данные рентгено-структурного анализа - и какие из них не изучены. Для каждого из компонентов определяем, каких из его фрагментов нет в рентгеновских структурах. Метод рентгено-структурного анализа предполагает, что многие участки белка, которые сложно кристаллизовать получить осложняют получение кристаллов - трансмембранные фрагменты, участки с подвижной структурой и так далее - могут специально отрезаться учеными, так что их просто нет в опубликованных данных. Мы находим эти недостающие фрагменты и достраиваем их структуру на основе тех методов, которые сейчас используются для этого в науке (это данные о структуре родственных белков и методы молекулярной динамики).

На следующем этапе мы проводим предсказание белок-белковых взаимодействий внутри вируса: какие белки и какими поверхностями друг с другом контактируют в вирионе, как именно устроены белковые комплексы. Рентгено-структурный анализ информацию об этом обычно не дает, потому мы обращаемся к методам молекулярного докинга.

Бывает, когда строение компонентов некого вируса нам вообще пока не известно. В таком случае приходится использовать данные о родственных вирусах как шаблоны для новой структуры. Это тоже довольно распространенная методика в науке, для этого разработаны специальные протоколы, которые мы и используем при моделировании.

Наиболее дискуссионным моментом модели почти всегда является упаковка генома вируса. Это очень сложная задача, которая часто просто не может быть однозначно решена существующими методами. Поэтому мы всегда говорим, что показываем в модели только возможный вариант укладки генома. Мы, конечно, стараемся максимально полно предсказать для генома ДНК-белковые или РНК-белковые взаимодействия, пытаемся установить методами биоинформатики элементы третичной пространственной структуры РНК-геномов. Но абсолютно достоверно это сделать сейчас просто невозможно. Это самостоятельная, большая и интересная научная задача.

Плюс ко всему для каждого проекта мы отбираем наиболее авторитетных экспертов, которые посвятили многие годы изучению того или иного вируса, проводим с ними консультации. В случае вируса гриппа, например, это была группа Хайме Мартина-Бенито из Испанского национального центра биотехнологий и ряд других исследователей. Для ВИЧ это был Егор Воронин из Global HIV Vaccine Entreprise. При моделироваании Эбола мы общались с Рональдом Харти из Университета Пеннсильвании.

А Зика?

Вирус Зика - довольно экзотичная вещь, он долго был обделен вниманием ученых. В данном случае не было каких-то крупных научных групп, которые были бы лидерами в этом вопросе и могли бы нам помочь. К счастью, это вирус достаточно простой, и особой необходимости привлекать сторонних консультантов в данном случае не возникло, мы справились своими силами. Уже после того, как модель была готова, мы получили ряд минорных комментариев, касающихся, например, глубины погружения в мембрану трансмембранных фрагментов белков.

Что было самым сложным при создании этой модели?

Наверное, пространственная организация упаковки генома. Это всегда сложно.

У какого процента белков в случае вируса Зика уже есть рентгеновские структуры, а что вам приходилось восстанавливать методами моделирования по-аналогии?

Пока кристаллографические данные о структурах белков непосредственно вируса Зика не доступны, так что все пространственные модели были сделаны на основе прочитанного генома и близких белков из родственных вирусов Денге, Западного Нила или желтой лихорадки.

Вирус Зика - последнее пополнение в вашем «Зоопарке Вирусов». Расскажите, пожалуйста, что это за проект и какие цели вы перед ним ставите.

«Зоопарк» - это первая в мире попытка создать коллекцию научно достоверных моделей вирусов человека с атомным разрешением. Дело в том, что вирусы слишком маленькие для того, чтобы изучать их методами, которые подходят для исследования клеток. С другой стороны, они слишком большие, чтобы работать с ними как с белками и получать рентгеновские структуры. Получается, что мы довольно много знаем о строении отдельных вирусных компонентов и о том, как вирусы ведут себя в клетках. Но увидеть вирусы своими глазами, рассмотреть их во всех подробностях можно только с помощью компьютерного моделирования.

Тут есть даже некоторый парадокс: любой ребенок знает, как выглядит далекий от нас Марс, но на что похож вирус гриппа, которым мы все болеем ежегодно, знают немногие. Собственно, из этого желания - показать людям красоту и сложность микро и наномира вирусного мира - и вырос наш «Зоопарк Вирусов». Это прежде всего чисто просветительский и образовательный проект, и мы рады, что многие наши изображения уже попали на страницы ведущих учебников и руководств.

Не могу не спросить: мой любимый гигантский мимивирус попадет в «Зоопарк»?

Мимивирус, конечно, очень большой. Правда большой, не заражает человека, а “Зоопарк вирусов” прежде всего о вирусах человека. И, к тому же, довольно плохо изучен. Надо понимать, что в наших моделях представлены все молекулы, которые есть в вирионе, даже отдельные липиды мембраны. Поэтому даже в случае с Эболой счет молекул уже идет на миллионы, и моделирование требует очень больших ресурсов. В этом смысле мимивирус, который по размеру оставляет позади некоторые бактериальные клетки, выглядит, конечно, устрашающе. Видимо, для его моделирования нам потребуется разработать особый подход, так что это задача не ближайшего будущего. Пока мы сфокусированы на более изученных и распространенных вирусах - вирусе герпеса, гепатитов и еще десятке других.

Вирус Эбола

Вирус Гриппа A/H1N1

Вирус иммунодефицита человека

Вирус папилломы человека - HPV

Строение вируса гриппа принципиально не отличается от строения других вирусов, хотя и имеет свои особенности, благодаря которым он воздействует на организм человека и животных определенным образом.

Строение вируса гриппа сейчас изучено довольно детально. Известен его размер, форма, состав белков оболочки. Расшифрована последовательность нуклеотидов, составляющих РНК, и выявлены различия генетической структуры разных типов. Найдены особенности геномов возбудителей, обладающих большей или меньшей опасностью для человека. Известно, как выглядит вирус гриппа под микроскопом, получены его фотографии.

Строение вируса гриппа принципиально не отличается от строения других вирусов

Вирусы довольно примитивные организмы, ученые до сих пор не определились – считать их живыми или нет . У вирусов (у возбудителя гриппа тоже), отсутствует большинство черт, присущих живым организмам. У них нет метаболизма, им не нужно дыхание, питание. Размножаться они способны, только используя генетический аппарат других клеток.

Основой вирусной единицы является его генетический материал . Именно он обеспечивает воспроизводство и синтез необходимых белков. Геном вируса содержит нуклеиновую кислоту (NP – нуклеопротеид) и полимеразный комплекс (набор ферментов, ответственных за синтез новых вирусных частиц

Вирус гриппа содержит нуклеиновую кислоту типа РНК. С одной стороны, это ускоряет запуск процесса репликации, так для синтеза белка необходима именно РНК, которую ДНК-содержащим вирусам необходимо еще «собрать». А у гриппа она уже готовая. С другой стороны, РНК больше подвержена мутациям, потере генетического материала, и, следовательно, к синтезу дефектных вирусов. Но именно мутагенность ведет к большому разнообразию типов.

Вирус гриппа содержит нуклеиновую кислоту типа РНК

Белок капсулы, в которую «упакован» геном вируса (М1, он еще называется структурным, в отличие от поверхностных белков), а также нуклеопротеидный комплекс обладают антигенными свойствами. Путем определения их наличия в пробах производится типирование возбудителя болезни на виды A, B и C.

Мембранный белок М2 имеет форму канальца, проницаемого для ионов. Ему отводится роль при освобождении вируса от оболочки, когда он попадает внутрь клетки. Также в его состав входят полимеразные протеины, участвующие в биосинтезе, и другие структурные белки, роль которых еще не до конца изучена.

Механизм размножения возбудителя

Попадая на слизистую оболочку дыхательных путей, возбудитель фиксируется на ее поверхности с помощью рецепторов. Их роль играет белок гемагглютинин (HA или H, от лат. hemagglutinin). Этот белок имеет несколько разновидностей, всего их известно 18. Они определяют генетическую разнородность внутри популяции.

Преодолению возбудителем барьера из защитной слизи способствует наличие фермента нейраминидазы (NA или N, от лат. neuraminidase). Он также генетически разнороден, насчитывается 11 его разновидностей. Этот фермент необходим для разрушения химических связей межклеточного вещества эпителия слизистых оболочек.

Вирус не приспособлен к самостоятельному существованию вне организма своей жертвы

После внедрения возбудитель попадает в цитоплазму клетки, после чего теряет оболочку, этому способствуют канальцевые белки М2. Через них вещества из цитоплазмы проникают внутрь вируса, после этого растворяется его наружный липидный слой. Это ведет к тому, что молекулы РНК выходят в цитоплазму и проникают в ядро. С помощью полимеразного комплекса начинается синтез компонентов новых частиц. РНК вируса гриппа работает как форма на станке, с нее «штампуются» части дочерних вирусов.

Составные части вирусов «штампуются» с разных фрагментов РНК в определенных местах клетки-хозяина. После этого они скапливаются под мембраной, и происходит их «сборка». Фрагменты объединяются и выходят в собранном виде, «прихватив» фрагмент мембраны клетки в качестве своей оболочки. Для отделения вирусных частиц от клетки также нужна нейраминидаза. Она ответственна за то, чтобы возбудители отделялись поодиночке, а не по нескольку одномоментно.

Воздействие, оказываемое вирусом на организм

Для того чтобы понять, как действует вирус гриппа в организме, надо знать о биологической роли белков, входящих в его состав. Как уже говорилось, после попадания возбудителя на слизистые оболочки, он прикрепляется с помощью рецепторов к мембранам эпителиальных клеток. Роль рецептора играет гемагглютинин. Он обладает некоторым сродством к рецепторам, расположенным на поверхности клеток человека и животных.

Принципиальным является то, что разные подтипы гемагглютинина обладают тропностью (подходят как ключ к замку) к разным рецепторам клеток. Например, H1 тропен к рецепторам клеток слизистой оболочки трахеи и крупных бронхов людей, а также к клеткам кишечника птиц («птичий» грипп). А H5 («свиной») способен присоединяться к эпителию альвеол легких человека и дыхательных путей свиней. Именно поэтому есть разница в том, как вирус гриппа действует на организм человека и животных.

Вирус гриппа не вырабатывает токсины. Интоксикация- следствие реакций организма.

Например, «птичий» грипп вызывает типичную клинику болезни у человека (с высокой лихорадкой, непродуктивным кашлем, головной, мышечной болью). Некоторые его подтипы за счет пантропизма (сродства к большому числу рецепторов) могут вызывать поражение печени, почек, а также крайне тяжелый токсикоз. Он же вызывает симптомы поражения желудочно-кишечного тракта птиц.

«Свиной» грипп проявляется респираторной инфекции у свиней. Но при попадании в организм человека он может вызвать у людей, чувствительных к нему, тяжелейшую первичную вирусную пневмонию. В отличие от вторичных бактериальных пневмоний, осложняющих грипп, эта пневмония приводит к гибели практически половины заболевших за несколько первых нескольких суток.

Кроме того, гемагглютинин вызывает агглютинацию (склеивание) эритроцитов. Из-за этого ухудшаются реологические свойства крови, нарушается микроциркуляция, появляются геморрагические проявления. Нарушение кровоснабжения способствует дистрофическим изменениям во внутренних органах.

Возбудитель, прорвавшись через слизистые оболочки, попадает в кровь. Этому способствует нейраминидаза, нарушающая связи между клетками, приводящая к некрозу и слущиванию эпителия дыхательных путей. Он разносится по организму, оказывая прямое патогенное воздействие на ткани головного мозга, сердца и других органов.

Справедливости ради следует сказать, что возбудитель гриппа не вырабатывает собственных токсинов . Интоксикация, которая возникает при болезни, обусловлена реакцией организма. Когда иммунитет распознает нечто чужеродное, запускается целый каскад реакций по активации различных веществ. Они-то и вызывают лихорадку, головную боль и чувство разбитости. Также при развитии интоксикации некоторую роль играют «осколки» погибших от воздействия гриппа клеток, и вещества, высвободившиеся в результате этого.

Вирус гриппа в крови способствует активации иммунной системы и выработке антител

Циркулирующие в кровяном русле вирусы активируют иммунную систему, запускается процесс выработки антител . К концу первой недели болезни количество антител становится достаточным для улучшения состояния. К концу второй недели, при благоприятном исходе, наступает выздоровление.