История вирусологии

Несмотря на другие успехи, Луи Пастер (1822—1895) не смог найти возбудителя бешенства и выдвинул гипотезу о существовании патогена, слишком маленького, чтобы его можно было обнаружить с помощью микроскопа^[2]. В 1884 году французский микробиолог Шарль Шамберлан (1851—1931) изобрёл фильтр, известный сегодня как фильтр Шамберлана, поры которого были меньше бактерий. Таким образом, он мог пропускать раствор, содержащий бактерии, через фильтр и полностью удалять их из раствора^[3].

В 1876 году Адольф Майер, руководивший Сельскохозяйственной экспериментальной станцией в Вагенингене, первым доказал, что то, что он назвал «болезнью табачной мозаики», было инфекционным заболеванием. Он полагал, что его вызывал либо токсин, либо очень маленькая бактерия. Позже, в 1892 году, русский биолог Дмитрий Ивановский (1864—1920) использовал фильтр Шамберленда для изучения того, что сегодня известно как вирус табачной мозаики^[4]. Его эксперименты показали, что измельчённые экстракты листьев инфекционных растений табака остаются заражёнными после фильтрации. Ивановский предположил, что инфекция может быть вызвана токсином, производимым бактериями, но не стал развивать эту идею^[5].

В 1898 году голландский микробиолог Мартинус Бейеринк (1851—1931), преподаватель микробиологии в Сельскохозяйственной школе в Вагенингене, повторил эксперименты Адольфа Майера и пришёл к выводу, что фильтрат содержит новую форму инфекционного агента^[6]. Он заметил, что агент размножался только в делящихся клетках, и назвал его contagium vivum fluidum (латынь: «заразная живая жидкость»), вновь введя в употребление слово «вирус»^[5]. Бейеринк утверждал, что вирусы имеют жидкую природу, но эта теория была опровергнута американским биохимиком и вирусологом Уэнделлом Мередитом Стэнли (1904—1971), который доказал, что на самом деле вирусы являются частицами^[5]. В том же 1898 году Фридрих Лёффлер (1852—1915) и Пауль Фрош (1860—1928) пропустили первый вирус животных через аналогичный фильтр и обнаружили причину ящура^[7].

Первым идентифицированным вирусом человека был вирус жёлтой лихорадки^[8]. В 1881 году кубинский врач Карлос Финлей (1833—1915) впервые провёл и опубликовал исследования, которые указали на то, что переносчиками жёлтой лихорадки являются комары^[9], и эта теория была доказана в 1900 году комиссией под руководством Уолтера Рида (1851—1902). В 1901—1902 годах Уильям Кроуфорд Горгас (1854—1920) организовал уничтожение мест размножения комаров на Кубе, что резко снизило распространение болезни^[10]. Позже Горгас организовал уничтожение комаров в Панаме, что позволило открыть Панамский канал в 1914 году^[11]. Вирус был окончательно идентифицирован Максом Тейлером (1899—1972) в 1932 году, который впоследствии разработал эффективную вакцину^[10].

К 1928 году о вирусах было известно достаточно, чтобы издать сборник статей Filterable Viruses («Фильтруемые вирусы»), охватывающий все известные вирусы и отредактированный Томасом Милтоном Риверсом (1888—1962). Риверс, переживший брюшной тиф в двенадцатилетнем возрасте, сделал блестящую карьеру в вирусологии. В 1926 году он был приглашён выступить на собрании Американского бактериологического общества, где впервые сказал: «Вирусы, по-видимому, являются облигатными паразитами в том смысле, что их размножение зависит от живых клеток»^[12].

Представление о том, что вирусы являются частицами, не считалось неестественным и хорошо вписывалось в теорию микробов. Предполагается, что первым, кто увидел частицы вируса, был доктор Дж. Бьюист из Эдинбурга в 1886 году, когда он сообщил о наблюдении «микрококков» в вакцинной лимфе, хотя, вероятно, он наблюдал скопления вакцинии^[13]. В последующие годы, по мере совершенствования оптических микроскопов, «включения» были обнаружены во многих клетках, инфицированных вирусами, но эти скопления частиц вирусов были всё ещё слишком малы, чтобы можно было разглядеть их подробную структуру. Только после изобретения электронного микроскопа в 1931 году немецкими инженерами Эрнстом Руска (1906—1988) и Максом Кноллом (1887—1969)^[14] было показано, что частицы вирусов, особенно бактериофаги, имеют сложную структуру. Размеры вирусов, определённые с помощью этого нового микроскопа, хорошо согласовывались с размерами, оценёнными с помощью экспериментов по фильтрации. Ожидалось, что вирусы будут маленькими, но диапазон их размеров оказался неожиданным. Некоторые были лишь немного меньше самых маленьких известных бактерий, а самые маленькие вирусы были похожи по размеру на сложные органические молекулы^[15].

В 1935 году Уэнделл Стэнли исследовал вирус табачной мозаики и обнаружил, что он в основном состоит из белка^[16]. В 1939 году Стэнли и Макс Лауффер (1914) разделили вирус на белок и нуклеиновую кислоту^[17], которая, как показал постдокторант Стэнли Хьюберт С. Лоринг, оказалась именно РНК^[18]. Открытие РНК в частицах было важным, поскольку в 1928 году Фредерик Гриффит (ок. 1879—1941) предоставил первые доказательства того, что её «родственница», ДНК, образует гены^[19].

В эпоху Пастера и в течение многих лет после его смерти слово «вирус» использовалось для обозначения любой причины инфекционного заболевания. Многие бактериологи вскоре обнаружили причины многочисленных инфекций. Однако некоторые инфекции, многие из которых были чрезвычайно опасными, оставались неизвестными, и их бактериальные причины не могли быть установлены. Эти агенты были невидимыми и могли размножаться только в живых организмах. Открытие вирусов проложило путь к пониманию этих загадочных инфекций. И хотя постулаты Коха не могли быть выполнены для многих из этих инфекций, это не помешало пионерам вирусологии искать вирусы в инфекциях, для которых не могли найти других причин^[20].

Бактериофаги — это вирусы, которые заражают бактерии и размножаются в них. Они были открыты в начале XX века английским бактериологом Фредериком Туортом (1877—1950)^[21][22]. Но ещё до этого, в 1896 году, бактериолог Эрнест Хэнбери Хэнкин (1865—1939) сообщил, что в водах реки Ганг содержится вещество, способное убивать Vibrio cholerae — возбудителя холеры. Это вещество в воде можно было пропустить через фильтры, удаляющие бактерии, но оно разрушалось при кипячении^[23]. Туорт обнаружил действие бактериофагов на стафилококки. Он заметил, что при выращивании на питательном агаре некоторые колонии бактерий становились водянистыми. Он собрал некоторые из этих водянистых колоний и пропустил их через фильтр Чемберленда для удаления бактерий и обнаружил, что при добавлении фильтрата к свежим культурам бактерий они в свою очередь становились водянистыми^[22]. Он предположил, что этот агент может быть «амёбой, ультрамикроскопическим вирусом, живым протоплазмой или ферментом, обладающим способностью к росту»^[23].

Феликс д’Эрелль (1873—1949) был в основном самоучкой, французско-канадским микробиологом. В 1917 году он обнаружил, что «невидимый антагонист», добавленный к бактериям на агаре, вызывает гибель бактерий в определённых областях^[22]. Антагонист, который теперь известен как бактериофаг, мог проходить через фильтр Чемберленда. Он точно разбавил суспензию этих вирусов и обнаружил, что самые высокие разбавления (самые низкие концентрации вирусов) не убивали все бактерии, а образовывали отдельные области мёртвых организмов. Подсчитав эти области и умножив их на коэффициент разбавления, он смог рассчитать количество вирусов в исходной суспензии^[24]. Он понял, что открыл новую форму вируса, и позже придумал термин «бактериофаг»^[25][26]. В период с 1918 по 1921 год д’Эррель открыл различные типы бактериофагов, которые могли заражать несколько других видов бактерий, включая Vibrio cholerae^[27]. Бактериофаги были провозглашены потенциальным средством лечения таких заболеваний, как брюшной тиф и холера, но с появлением пенициллина об их перспективности забыли^[25]. С начала 1970-х годов бактерии продолжают развивать устойчивость к антибиотикам, таким как пенициллин, что привело к возобновлению интереса к использованию бактериофагов для лечения серьёзных инфекций^[28].

Д’Эррель много путешествовал, пропагандируя использование бактериофагов для лечения бактериальных инфекций. В 1928 году он стал профессором биологии в Йельском университете и основал несколько научно-исследовательских институтов^[29]. Он был убеждён, что бактериофаги являются вирусами, несмотря на противодействие со стороны авторитетных бактериологов, таких как лауреат Нобелевской премии Жюль Борде (1870—1961). Борде утверждал, что бактериофаги не являются вирусами, а всего лишь ферментами, выделяемыми «лизогенными» бактериями. Он говорил, что «невидимый мир д’Эрелля не существует»^[30]. В 1930-х годах доказательство того, что бактериофаги являются вирусами, было предоставлено Кристофером Эндрюсом (1896—1988) и другими. Исследователи продемонстрировали, что эти вирусы различаются по размеру, химическим и серологическим свойствам. В 1940 году была опубликована первая электронная микрофотография бактериофага, которая заставила замолчать скептиков, утверждавших, что бактериофаги являются относительно простыми ферментами, а не вирусами^[31]. Вскоре было открыто множество других типов бактериофагов, которые, как было показано, заражают бактерии везде, где они встречаются. Ранние исследования были прерваны Второй мировой войной. Д’Эрель, несмотря на канадское гражданство, был интернирован правительством Виши до конца войны^[32].

Знания о бактериофагах расширились в 1940-х годах после образования учёными из разных частей США Фаговой группы. Среди её членов был Макс Дельбрюк (1906—1981), который основал курс по бактериофагам в лаборатории Колд-Спринг-Харбор^[28]. Другими ключевыми членами Фаговой группы были Сальвадор Лурия (1912—1991) и Альфред Херши (1908—1997). Вместе с Дельбрюком они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1969 года «за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов»^[33]. В 1950-х годах Херши и Чейз сделали важные открытия в области репликации ДНК в ходе своих исследований бактериофага T2. С тех пор изучение бактериофагов позволило понять механизм включения и выключения генов, а также открыть полезный механизм для введения чужеродных генов в бактерии и многие другие фундаментальные механизмы молекулярной биологии^[34].

В 1882 году Адольф Майер (1843—1942) описал состояние табачных растений, которое он назвал «мозаичной болезнью» (mozaïkziekte). Больные растения имели пёстрые листья с пятнами^[35]. Он исключил возможность грибковой инфекции и не смог обнаружить никаких бактерий, предположив, что «в этом процессе участвует растворимый ферментоподобный инфекционный агент»^[36]. Он не стал развивать свою идею, и только эксперименты Ивановского и Бейеринк показали, что причиной заболевания является ранее неизвестный инфекционный агент. После того как табачная мозаика была признана вирусным заболеванием, были обнаружены вирусные инфекции многих других растений^[36].

Значение вируса табачной мозаики в истории вирусов трудно переоценить. Это был первый обнаруженный вирус, первый вирус, который был кристаллизован и чья структура была подробно описана. Первые рентгеновские дифракционные снимки кристаллизованного вируса были получены Джоном Берналом и Изидором Фанкухеном в 1941 году. На основе этих снимков Розалинд Франклин в 1955 году открыла полную структуру вируса^[37]. В том же году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс показали, что очищенная РНК вируса табачной мозаики и её капсид могут самостоятельно собираться в функциональные вирусы, что позволяет предположить, что этот простой механизм, вероятно, был средством, с помощью которого вирусы создавались внутри клеток-носителей^[38].

К 1935 году многие болезни растений считались вызванными вирусами. В 1922 году Джон Кункел Смол (1869—1938) обнаружил, что насекомые могут выступать в качестве переносчиков и передавать вирусы растениям. В следующем десятилетии было доказано, что многие болезни растений вызываются вирусами, переносимыми насекомыми, а в 1939 году Фрэнсис Холмс, пионер в области вирусологии растений^[39], описал 129 вирусов, вызывающих болезни растений^[40]. Интенсивное сельское хозяйство создаёт благоприятную среду для многих растительных вирусов. В 1948 году в Канзасе, США, 7 % урожая пшеницы было уничтожено вирусом мозаики пшеницы. Вирус распространялся клещами Aceria tulipae^[41].

В 1970 году российский вирусолог-ботаник Иосиф Атабеков обнаружил, что многие растительные вирусы заражают только один вид растений-хозяев^[39]. Международный комитет по таксономии вирусов в настоящее время признаёт более 900 вирусов растений^[42].

К концу XIX века вирусы определялись по их инфекционности, способности к фильтрации и потребности в живых хозяевах. До этого времени вирусы выращивались только на растениях и животных, но в 1906 году Росс Гранвилл Харрисон (1870—1959) изобрёл метод выращивания тканей в лимфе^[43], а в 1913 году Э. Штейнхардт, К. Израильский и Р. А. Ламберт использовали этот метод для выращивания вируса осповакцины на фрагментах ткани роговицы морской свинки^[44]. В 1928 году Х. Б. и М. К. Мейтленд вырастили вирус оспы в суспензиях из измельчённых почек кур^[45]. Их метод не получил широкого распространения до 1950-х годов, когда полиовирус был выращен в больших количествах для производства вакцины^[46]. В 1941-42 годах Джордж Хирст (1909-94) разработал тесты на основе гемагглютинации для количественного определения широкого спектра вирусов, а также вирусспецифических антител в сыворотке крови^[47][48].

Хотя вирус гриппа, вызвавший пандемию гриппа 1918—1919 годов, был обнаружен только в 1930-х годах, описания заболевания и последующие исследования доказали, что именно он был виновником пандемии^[49]. Пандемия унесла жизни 40-50 миллионов человек менее чем за год^[50], но доказательство того, что она была вызвана вирусом, было получено только в 1933 году^[51]. Гемофильная палочка — условно-патогенная бактерия, которая часто сопровождает грипп; это привело выдающегося немецкого бактериолога Рихарда Пфайффера (1858—1945) к ошибочному выводу, что эта бактерия является причиной гриппа^[52].

Прорыв произошёл в 1931 году, когда американский патофизиолог Эрнест Уильям Гудпастер вырастил грипп и несколько других вирусов в оплодотворённых куриных яйцах^[53]. Хирст обнаружил ферментативную активность, связанную с частицами вируса, которая позже была охарактеризована как нейраминидаза, что стало первым доказательством того, что вирусы могут содержать ферменты. Фрэнк Макфарлейн Бёрнет в начале 1950-х годов показал, что вирус рекомбинирует с высокой частотой, а Хирст позже, в 1962 году, сделал вывод, что он имеет сегментированный геном^[54].

В 1949 году Джон Ф. Эндерс (1897—1985), Томас Уэллер (1915—2008) и Фредерик Роббинс (1916—2003) впервые вырастили вирус полиомиелита в культивированных клетках человеческого эмбриона. Это был первый вирус, выращенный без использования твёрдых тканей животных или яиц. Инфекции, вызываемые полиовирусом, чаще всего вызывают самые лёгкие симптомы. Это было неизвестно до тех пор, пока вирус не был выделен в культивируемых клетках и не было показано, что многие люди перенесли лёгкие инфекции, которые не привели к полиомиелиту. Но, в отличие от других вирусных инфекций, заболеваемость полиомиелитом — более редкой тяжёлой формой инфекции — увеличилась в XX веке и достигла пика около 1952 года. Изобретение системы культивирования клеток для выращивания вируса позволило Джонасу Солку (1914—1995) создать эффективную вакцину против полиомиелита^[55].

Денис Парсонс Беркитт (1911—1993) родился в Эннискиллене, графство Фермана, Северная Ирландия. Он был первым, кто описал тип рака, который теперь носит его имя — лимфома Беркитта. Этот тип рака был эндемичным в экваториальной Африке и был самым распространённым злокачественным новообразованием у детей в начале 1960-х годов^[56]. В попытке найти причину рака Беркитт отправил клетки опухоли Майклу Энтони Эпстайну (р. 1921), британскому вирусологу, который вместе с Ивонной Барр и Бертом Ачонгом (1928—1996) после многих неудач обнаружил в жидкости, окружавшей клетки, вирусы, похожие на герпес. Позже было доказано, что этот вирус является ранее неизвестным вирусом герпеса, который сейчас называется вирусом Эпштейна-Барр^[57]. Вирус Эпштейна-Барр является очень распространённой, но относительно лёгкой инфекцией у европейцев. Почему он может вызывать столь разрушительное заболевание у африканцев, до конца не ясно, но, возможно, виной тому сниженный иммунитет к вирусу, вызванный малярией^[58]. Вирус Эпштейна-Барр имеет важное значение в истории вирусов, поскольку он стал первым обнаруженным вирусом, вызывающим рак у людей^[59].

Вторая половина XX века стала золотым веком открытий вирусов, и большинство из 2000 известных видов вирусов животных, растений и бактерий были обнаружены в этот период^[60][61]. В 1946 году был открыт вирус диареи крупного рогатого скота^[62], который, возможно, до сих пор является наиболее распространённым возбудителем заболеваний крупного рогатого скота во всём мире^[63], а в 1957 году был открыт артеривирус лошадей^[64]. В 1950-х годах усовершенствование методов выделения и обнаружения вирусов привело к открытию нескольких важных вирусов человека, в том числе вируса ветряной оспы^[65], парамиксовирусов^[66] — к которым относятся вирус кори^[67] и респираторно-синцитиальный вирус^[66] — и риновирусов, вызывающих простуду^[68].

В 1960-х годах было открыто ещё больше вирусов. В 1963 году Барух Блумберг (р. 1925) открыл вирус гепатита B^[69]. Обратная транскриптаза, ключевой фермент, который ретровирусы используют для транскрипции своей РНК в ДНК, была впервые описана в 1970 году независимо друг от друга Говардом Темином и Дэвидом Балтимором (р. 1938)^[70]. Это было важно для разработки противовирусных препаратов — ключевого поворота в истории вирусных инфекций^[71]. В 1983 году Люк Монтанье (р. 1932) и его команда из Института Пастера во Франции впервые выделили ретровирус, который теперь называется ВИЧ^[72][73]. В 1989 году команда Майкла Хаутона из Chiron Corporation открыла гепатит C^[74]. Новые вирусы и штаммы вирусов открывались в каждом десятилетии второй половины XX века. Эти открытия продолжились в XXI веке с появлением новых вирусных заболеваний, таких как SARS^[75] и вирус Нипах^[76]. Несмотря на достижения учёных за последние сто лет, вирусы продолжают представлять новые угрозы и вызовы^[77].