Jättevirus förändrar synen på livet

Livet som vi känner det består av celler. Virus brukar betraktas som död materia, pyttesmå partiklar som tränger in i celler och tvingar dem att göra mer virus. Men under de senaste åren har forskare börjat kartlägga en tidigare okänd typ av jättevirus som utmanar den gängse bilden. Några av jättevirusen är till och med större än vissa bakterier, och de innehåller gener som brukar känneteckna självständiga celler. Upptäckten kastar nytt ljus över virusens ursprung.

Det hela började med att den brittiske mikrobiologen Richard Birtles reste till Frankrike år 1995 med prover från ett misstänkt kylvattentorn i Bradford i bagaget. Några år tidigare hade ett utbrott av lunginflammation drabbat staden. Richard Birtles och hans medarbetare ville ta reda på om proverna innehöll bakterier som kunde vara orsaken. De letade i första hand efter legionellabakterier som brukar trivas i kylvattentornens varma vatten, men ville också veta om provet innehöll några andra intressanta bakterier.

Bara en bråkdel av alla bakterier kan odlas med traditionella metoder i ett laboratorium. Forskare vid Université de la Méditerranée i Marseille är specialister på en alternativ metod – de studerar bakterier inne i amöbor. Trots att dessa encelliga djur inte går att se utan någorlunda förstoring så är amöborna närmare släkt med oss människor än med bakterier. De har cellkärna och tillhör därför vår domän av livet.

Amöbor finns i alla fuktiga miljöer där det bildas en beläggning av bakterier. Likt boskap drar sig amöborna runt och betar bakterier. Men medan gräset i en ko bryts ner kan uppätna bakterier överleva länge inuti amöban. Det var den egenskapen som Richard Birtles och hans kolleger utnyttjade för att undersöka svårodlade bakterier. Med tiden skulle de upptäcka att det inte bara är bakterier som kan leva inuti amöbor.

När forskarna studerade proverna från Bradford i mikroskop kunde de tydligt se att det fanns bakterielika organismer inne i amöborna. De lyckades identifiera några arter medan andra gav dem huvudbry. En av arterna var rund och hade ett hölje som tar upp ett mörkblått färgämne, en välkänd egenskap hos så kallade grampositiva bakterier.

Genom ett samarbete med en forskargrupp i USA försökte de få fram en genetisk profil för organismen som de gav arbetsnamnet ”bradfordcoccus”. De använde gener som finns hos alla bakterier för att försöka få ett genetiskt fingeravtryck från bradfordcoccus, men trots upprepade försök hittade de inte någon av dessa.

Först när de bytte strategi och använde svepelektronmikroskop gjorde de framsteg. Bilden de då fick fram visade att den okända organismen hade regelbundna geometriska former uppbyggda av trianglar, samma form som tjugosidiga tärningar har. Formen kallas ikosaeder, en typisk form för många virus.

Det var virus i provet, inte bakterier. Men det var inte vilket virus som helst – det var ett virus som slog alla tidigare storleksrekord med bred marginal. Själva storleken var skälet till att forskarna från början utgick från att organismen måste vara en bakterie.

Filter som är gjorda för att fånga upp bakterier släpper igenom det som är mindre än 200 nanometer, och därför alla vanliga virus. Detta har inte varit något problem tidigare. Men nu visade det sig att viruset i provet var runt 600 nanometer med yttre hölje. Forskarna i Marseille övergav nu det gamla arbetsnamnet bradfordcoccus och döpte om organismen till Acanthamoeba polyphaga mimivirus, eller kort och gott mimivirus.

Filter var viktiga redan i den tidiga forskningen om virus. År 1892 upptäckte den ryske botanikern Dmitry Ivanovsky virus som en sjukdomsalstrande vätska, något som inte gick att filtrera bort med dåtidens bakteriefilter. Men det skulle dröja ytterligare decennier innan virusens form och funktion började bli känd.

I slutet av 1960-talet landade biologin i en indelning av livet i två domäner: eukaryoter, som har cellkärna, och bakterier, som saknar cellkärna. Virus ansågs inte vara levande eftersom de inte kan bygga upp proteiner själva utan i stället snyltar på värdcellens biologiska maskineri.

Jätteviruset som upptäcktes på labbet i Marseille är en intressant mellanform. Det tvingar värdcellen att tillverka hela biologiska fabriker, som i sin tur producerar virusprotein. Man kan alltså tänka på dessa virusfabriker som ett slags delvis självständiga organismer inne i värdcellen.

Indelningen av livet i två domäner, eukaryoter och bakterier, var länge så självklar att det blev en stor skräll när den ifrågasattes av den amerikanske mikrobiologen Carl Woese. År 1990 föreslog han att en del av de organismer som tidigare hade kallats bakterier borde tillhöra en egen tredje domän: arkéer. Trots att dessa ytligt är väldigt lika bakterier är deras hölje uppbyggt på ett annat sätt.

Arkéer är kända för att leva i extrema miljöer, som varma källor. Nya undersökningar visar att de också är vanliga i världshaven och att de till och med finns i våra tarmar. Upptäckten av arkéernas särställning i livets träd bygger på deras evolutionära historia. Carl Woese använde nya genetiska metoder för att analysera en del av det maskineri som bygger upp proteiner. Han kunde visa att arkéerna är ungefär lika nära släkt med oss som de är med bakterier.

Frågan som många biologer ställer sig i dag är om vi återigen måste förändra vår syn på livets klassificering. Behövs det fler grenar – kan det finnas en fjärde domän av liv?

De franska forskarna gick grundligt till väga för att analysera mimivirusets släktskap med andra livsformer. Tillsammans med en grupp bioinformatiker avläste de virusets hela arvsmassa. Nu fick de nästa överraskning – mimiviruset hade en betydligt större arvsmassa än något annat tidigare undersökt virus. Forskarna presenterade sina resultat i tidskriften Science år 2003.

Mimivirusets arvsmassa är inte bara stor, den är full av gener också. Människans arvsmassa består till cirka 1,5 procent av gener med instruktioner för tillverkning av proteiner. Motsvarande siffra för mimiviruset är 90,5 procent.

Liksom hos oss människor består mimivirusets arvsmassa av dubbla dna-strängar. Människan har drygt 20 000 proteinkodande gener. Samtliga har ”släktingar” hos andra däggdjur. Det går inte att hitta nya sorters gener ens hos det fåtal nya däggdjursarter som upptäcks årligen.

Mimiviruset, däremot, var fullt av nyheter. Av dess runt 1 260 gener var de flesta okända hos andra virus. Forskarna jämförde generna med information i databaser, som rymmer nästan all arvsmassa som forskare har avläst, och fick oväntade träffar. Några av generna liknade dna-sekvenser från Saragassohavet. Men mimiviruset lever inte i havet, så vad kan det vara för organismer som bär på jättevirus där?

Provtagningen i Saragassohavet hade startats av den amerikanske molekylärbiologen Craig Venter. Hans stora vision var att samla dna från hela havet, helt i blindo. Forskarna gav sig helt enkelt ut med en segelbåt och tog med jämna mellanrum prover av havsvattnet.

Undersökningen i Saragassohavet var en pilotstudie inför den stora provtagningen av världshaven. Den visade sig vara mycket lyckad. Craig Venter och hans medarbetare fick fram helt nya gener, men de hade ingen aning om vilka organismer i havet som dessa kom ifrån.

Kanske är forskare nu de okända organismerna på spåret. Nyligen upptäcktes ett jättevirus i havet utanför Chiles kust. Det har döpts till megavirus eftersom det har mer arvsmassa än något annat känt virus.

Det är inte bara mängden arvsmassa hos jättevirusen som förvånar. Arvsmassan innehåller dessutom många delar som behövs när organismer tillverkar proteiner, något som aldrig tidigare har hittats i virus.

Storleken och innehållet i arvsmassan hos mimivirus och megavirus påminner i själva verket om parasitiska bakterier. Men de är helt beroende av sin värdorganism för att tillverka protein till nya virusskal och nukleinsyror till arvsmassan i nya viruspartiklar.

Mimiviruset lever i amöbor. Megavirusets värd är ännu okänd, men många tror att det kan vara en marin flagellat, ett encelligt djur som på sätt och vis påminner om en simmande amöba.

Upptäckten av jättevirusen har väckt en gammal debatt om virusens ursprung till liv. Länge har denna handlat om två motsatta synsätt.

Enligt den ena hypotesen är virus en sorts biprodukt av livet, genetiska avknoppningar från arkéer, bakterier och eukaryoter. Det ligger helt i linje med att det finns en kontinuerlig skala från enkelt till komplicerat. I vår egen arvsmassa finns enkla små självkopierande dna-sekvenser. Hos växter sprider sig större genetiska paket som består av några hundra dna-bokstäver. De saknar det yttre hölje som utmärker virus. I jämförelse är vanliga förkylningsvirus invecklade varelser.

Det här sättet att tänka ger viruset rollen som ett slags ficktjuv som snappar upp gener när det infekterar sina värdar. Viruset kan sedan bära med sig generna och successivt öka sin arvsmassa utan att det har någon direkt funktion.

Det som talar emot den här hypotesen är att de proteiner som bygger upp virusens skyddande hölje inte finns hos andra organismer. Om virusen har kommit ur andra organismers arvsmassa som ett slags själviska gener som lämnat sin värd – varifrån kommer i så fall proteinerna i höljet?

Den andra hypotesen om virusens ursprung går ut på att de är ättlingar till organismer som kunde föröka sig och sköta sin ämnesomsättning helt på egen hand. Parasitiska bakterier som finns i dag stöder den tanken. Bakterier som Chlamydia, Rickettsia och Tropheryma har alla mindre arvsmassa och färre gener än mimiviruset. Betyder det att detta ännu inte har blivit av med lika mycket arvsmassa som andra virus?

En invändning har länge varit att det saknas parasiter som är mer komplexa än vanliga virus, men mindre komplexa än andra parasiter som också lever inne i sina värdorganismers celler. Kan jättevirusen i så fall vara de saknade parasiterna? Nya rön om megaviruset stöder den tanken.

I oktober 2011 rapporterade den franske genetikern Jean-Michel Claverie och hans medarbetare att megaviruset och mimiviruset är besläktade. Dessutom har de kommit fram till att de båda jättevirusen tillhör en av de äldsta grenarna på livets träd. Forskarnas slutsats är att jättevirusen härstammar från encelliga organismer.

Megaviruset har kvar fler av de gener som behövs för att bygga upp proteiner än vad mimivirus har. Sådana gener kännetecknar självständiga celler. Det verkar som om vissa celler under evolutionens gång har anpassat sig till livet som parasit inne i sitt värddjur och med tiden tappat gener som de inte längre behöver i en sådan miljö.

En trolig slutsats är alltså att jättevirusen verkligen är en fjärde domän av livet på jorden, vid sidan om arkéer, bakterier och eukaryoter. De bär fortfarande med sig genetiska spår av den frilevande organism som de av allt att döma en gång i tiden härstammade från. Ingen vet om samma sak gäller alla virus på jorden, men forskningen om extremt stora virus kan ge ytterligare ledtrådar. Sannolikt finns det många fler jättevirus som väntar på att bli upptäckta.