Viiruste planeet

viiruste p l a n e e t

CA RL Z I MME R

2

VIIRUSTE

planeet

Inglise keelest tĂľlkinud Piret Lemetti

Eesti Raamat | Tallinn

Originaal: Carl Zimmer A Planet of Viruses Second Edition Licensed by The University of Chicago Press, Chicago, Illinois, USA

Toimetanud Helle Raidla Teostanud Anu Ristmets Kõik õigused kaitstud Copyright © 2011, 2015 by The Board of Regents of the University of Nebraska Estonian edition published by arrangement with Agentia literara LIVIA STOIA Autoriõigus tõlkele: Piret Lemetti ja OÜ Eesti Raamat, 2020 ISBN 978-9949-091-88-1 ISBN 978-9949-091-89-8 (epub) www.eestiraamat.ee www.facebook.com/Eesti Raamat Trükitud Euroopa Liidus

Grace’ile, minu lemmik-peremeesorganismile

Sisukord Eessõna  9 SISSEJUHATUS „Nakatav elus vedelik“ Tubaka mosaiikviirus ja virosfääri avastamine   13 VANAD SÕBRAD Ebatavaline külmetus Kuidas rinoviirused märkamatult maailma vallutasid   23 Tähtede juurest alla vaadates Gripi lõputu ümberkehastumine   29 Sarvedega jänesed Inimese papilloomiviirus ja nakkav vähk   37

77

IGAL POOL, IGAS ASJAS Meie vaenlase vaenlane Bakteriofaagid viirustevastase ravimina   47 Nakatunud ookean Kuidas merefaagid merd valitsevad   57 Meie sisemised parasiidid Endogeensed retroviirused ja meie viirustest tulvil genoom   63 VIIRUSLIK TULEVIK Noor nuhtlus Inimese immuunpuudulikkuse viirus ja loomadelt inimestele kanduvad haigused   71 Ameeriklaseks saamine Lääne-Niiluse viiruse üleilmastumine   81 Uue katkupuhangu ennustamine Ebola viirus ja teised sellesarnased   89 Pikk hüvastijätt Rõugete pikaleveninud unustusehõlma vajumine   99 EPILOOG Kontvõõras veejahutis Hiidviirused ja elu definitsioon   111

Tänusõnad  119 Kasutatud kirjandus   121 Pildimaterjal  127 Register  129

8

sisukord

Eessõna Viirused paiskavad inimeste heaolu kaosesse ja mõjutavad ligemale miljardi inimese elu. Ühtlasi on neil olnud oluline roll möödunud sajandi märkimisväärsetes bioloogilistes edusammudes. Inimkonna suurimaks tapjaks oli rõugeviirus, millest tänaseks on saanud üks vähestest maakeralt täielikult hävitatud haigustest. Samas ohustavad meid ja pakuvad uusi väljakutseid täiesti uued viirused, näiteks HIV, SARS, MERS ja värkseima saabujana ka koroonaviirus. Viirused on Maa ökoloogia seisukohast nähtamatud, kuid siiski dünaamilised tegelased. Nad vahetavad liikide vahel DNAd, tekitavad evolutsiooniks vajalikku uut geneetilist materjali ning reguleerivad tohutuid erinevate organismide populatsioone. Viiruste tegevus mõjutab kõiki liike, alates pisimikroobidest kuni suurte imetajateni välja. Viiruste mõjuala ei piirdu sellega, nad avaldavad mõju kliimale, mullale, ookeanidele ja mageveele. Mõeldes sellele, millise kujunemis­ protsessi on iga loom, taim ja mikroob evolutsiooni­ protsessi käigus läbi teinud, tuleb kindlasti arvesse võtta ka seda planeeti meiega jagavate tillukeste ja võimsate viiruste mõjusat rolli. „Viiruste planeedi“ esimene väljaanne ilmus 2011. aastal ja viirused pole vahepeal meid üllatamast lakanud. Ebola viirus, mille 9

elutegevus piirdus kunagi üksikjuhtumitega Aafrika kaugetes paikades, vallandas mitmetes linnades, näiteks Freetownis ja Conakrys tõsiseid puhanguid ning levis esimest korda ka teistele mandritele. Uued viirused, MERS (Lähis-Ida respiratoorne sündroom) teiste seas, ületasid piiri liikide vahel ja läksid loomadelt üle inimestele. Samas on teadlased avastanud mitmeid uusi võimalusi viiruste hämmastava mitmekesisuse kasutamiseks meie enda huvides. Carl Zimmer on kõiki neid arenguid raamatus „Viiruste planeet“ ka kajastanud. Zimmer kirjutas selle raamatu Riiklike Terviseinstituutide (NHI) juures asuva Riikliku Teadusuuringute Keskuse (NCRR) teadusja koolituspartnerluse (SEPA) poolt korraldatud projekti raames. Projekt „World of Viruses“ sündis selleks, et aidata inimestel viirusi ja viroloogiauuringuid läbi raadiosaadete, piltmaterjalide, õpetajate täienduskoolitusprogrammide, mobiiltelefonide ja iPadi rakenduste ning muude materjalide paremini mõista. Lisainfo saamiseks külastage kodulehte http://www.worldofviruses.unl.edu. Judy Diamond, PhD Professor ja kuraator, Nebraska ülikooli muuseum Projekti „World of Viruses“ direktor Charles Wood, PhD Lewis L. Lehri ülikooli bioloogiateaduste ja biokeemia professor Nebraska viroloogiakeskuse direktor

SISSE J UH AT US

11

Kogu maailmas taimehaigusi põhjustav tubaka mosaiikviirus 12

eessõna

„Nakatav elus vedelik“ Tubaka mosaiikviirus ja virosfääri avastamine

Mehhikos asuvast Chihuahua linnast 50 miili kagu pool asub kuiv ja lage Sierra de Naica nime kandev mäeahelik. 2000. aastal töötasid mägede all asuvates koobastes kaevurid. Umbes 300 meetri sügavusele jõudes avastasid nad end paigast, mis näis kuuluvat hoopis muusse maailma. Mehed seisid umbes kümne meetri laiuses ja kolmekümne meetri pikkuses koopas. Selle lagi, seinad ja põrand olid kaetud siledate läbipaistvate kipskristallidega. Kristalle leidub paljudes koobastes, kuid mitte selliseid nagu Sierra de Naicas. Need olid kuni kümne meetri kõrgused ja kuni 55 tonni raskused. Selliseid kristalle juba kaela ei riputa. Nende kristallide otsa sai ronida nagu mägedes.

13 13

Kristallkoopa nime all tuntuks saanud erakordsesse kambrisse pääsuks on selle avastamise järel loa saanud vaid üksikud teadlased. Üks neist oli Juan Manuel García-Ruiz, Granada ülikooli geoloog. Mees suutis oma uurimistöö tulemuste põhjal kindlaks määrata kristallide vanuse. Need moodustusid 26 miljoni aasta eest, kui vulkaanid alles hakkasid mägesid kujundama. Mägede alla tekkisid maa-alused koopad, mis täitusid kuuma, mineraaliderikka veega. Vulkaanilise magma kuumus hoidis vee temperatuuri kõrvetavkuuma 58oC juures, mis on ideaalne mineraalide eraldumiseks veest ja kristallide moodustumiseks. Mingil moel säilis selline täiuslik veetemperatuur sadu tuhandeid aastaid ning kristallid omandasid seetõttu täiesti sürreaalsed mõõtmed. 2009. aastal külastas Kristallkoobast teine teadlane, Curtis Suttle. Suttle ja ta kolleegid võtsid koopast veeproove ja toimetasid need analüüsimiseks Briti Columbia ülikooli laborisse. Suttle’i töö iseloomu arvestades võis tema retk mõttetuna tunduda. Suttle nimelt ei tunne kristallide, mineraalide ega üldse mingite kivimite vastu kõige vähematki kutsealast huvi. Tema uurib viirusi. Kristallkoopas pole inimesi, keda viirused nakatada saaks. Seal pole isegi kalu. Koobas on olnud miljoneid aastaid välismaailma bioloogiale täiesti suletud. Ja ometi tasus Suttle’i käik end ära. Pärast kristalliveest proovide võtmist uuris mees neid mikroskoobi all. Ja nägi viirusi – parvede kaupa. Iga Kristallkoopa veetilk sisaldas umbes 200 miljonit viirust. Selsamal aastal asus teinegi teadlane, Dana Willner, viirusi otsima. Ainult et koopa asemel kaevus tema inimkehasse. Willner lasi inimestel röga topsi köhida ja eraldas koos oma kolleegidega sellest vedelikust DNA killukesi. Seejärel võrreldi neid DNA killukesi miljonite salvestatud DNA ahelatega. Eraldatud DNA oli suures osas inimpäritolu, kuid paljud killud olid pärit ka viirustelt. Teadlased olid enne Willneri eksperimenti eeldanud, et terve inimese kopsud on steriilsed. Kuid Willner avastas, et keskmise inimese kopsudest võib leida 174 liiki viiruseid. Üksnes 10 protsenti Willneri leitud liikidest olid lähisuguluses varem avastatud viirustega. Ülejäänud olid niisama võõrad kui Kristallkoopas leidunud. Kuhu iganes teadlased ka pilku ei heidaks – sügavale maapõue sisemusse, Sahara kõrbe liivateradele, Antarktika jääkatte all sügaval 14  „nakatav

elus vedelik “

peidus olevatesse järvedesse – avastavad nad sealt loogikavastase kiirusega viirusi. Kusjuures viroloogia kui teadusharu on alles noor. Tuhandeid aastaid oleme viiruste puhul tundnud üksnes nende haiguste ja surma kaudu väljenduvat mõju. Veel hiljaaegu ei osanud me tagajärgi põhjustega kokku viia. Juba sõna „viirus“ on vastuoluline. Selle on meile pärandanud Rooma impeerium, kus virus tähendas kas maomürki või inimese spermat. Sama sõna tähistas nii loomist kui hävingut. Sajandite möödudes omandas sõna „viirus“ teistsuguse tähenduse: sellega hakati tähistama kõiki nakkavaid aineid, mis võisid levitada haigusi. Selleks võib olla näiteks vedelik, mis eritub haavast. Selleks võib olla aine, mis salapärasel moel levib õhu kaudu. See võib olla imbunud paberitükki ja levitada haigust seda puudutava sõrme abil. Virus omandas oma tänapäevase tähenduse põllumajandus­ katastroofi tagajärjel alles 1800. aastate lõpus. Madalmaades laastas tubakafarme haigus, mille tagajärjel taimed kängu jäid ja nende lehtedele tekkisid elusatest ja kärbunud kudedest moodustunud laigud. Paljud farmid lõpetasid tegevuse. 1879. aastal pöördusid Hollandi talunikud abipalvega noore põllumajanduskeemiku Adolph Mayeri poole. Mayer uuris hoolikalt taudi, mille ta nimetas tubaka mosaiikhaiguseks. Mees uuris taimede kasvukeskkonda – pinnast, temperatuuri, päikesevalgust. Ta ei leidnud midagi, mis tervete ja haigete taimede puhul kuidagi erinenud oleks. Teadlane oletas, et taimed kannatavad mingi silmale nähtamatu nakkuse käes. Taimeteadlased olid juba demonstreerinud, et kartuleid ja teisi taimi võivad nakatada seenhaigused, niisiis otsis ka Mayer tubakataimedelt seeni. Neid ta ei leidnud. Seejärel püüdis ta leida lehtedest parasiite. Ikka ei midagi. Viimaks eraldas Mayer haigetest taimedest mahla ja süstis mõned tilgad tervetele tubakataimedele. Terved taimed haigestusid. Mayer taipas, et taimede sees paljunevad ilmselt mingid mikroskoopi­lised haigustekitajad. Ta võttis haigete taimede mahla ja inkubeeris seda oma laboris. Selle tulemusel hakkasid kasvama bakterikolooniad. Need said nii suureks, et Mayer nägi neid palja silmaga. Mayer kandis neid baktereid tervetele tubakataimedele, oletades, et tulemuseks on nende nakatumine tubaka mosaiikhaigusega. Seda ei tubaka mosaiikviirus ja virosfääri avastamine

15

juhtunud ja selle ebaõnnestumisega lõppes ka Mayeri uurimistöö. Uks viiruste maailma jäi suletuks. Mõned aastad hiljem jätkas teine Hollandi teadlane Martinus Beijerinck sealt, kus Mayer oli töö pooleli jätnud. Mees tahtis teada, kas tubaka mosaiikhaiguse taga võiks olla midagi muud kui bakterid – midagi veel väiksemat. Ta peenestas haigestunud taimed ja filtreeris saadud vedeliku läbi peene filtri, mis pidas kinni nii taimerakud kui ka bakterid. Taimed, millele ta saadud läbipaistvat vedelikku süstis, haigestusid. Beijerinck filtreeris värskelt nakatatud taimedest mahla ja avastas, et saab ka selle abil uusi taimi nakatada. Miski nakatunud taimede mahlas – see miski oli bakteritestki väiksem – suutis paljuneda ja haigust levitada. Beijerinck nimetas selle 1898. aastal „nakatavaks elusaks vedelikuks“. See nakatav elus vedelik kandis edasi midagi niisugust, mis erines täielikult bioloogidele seni tuntud eluvormidest. See polnud mitte üksnes tohutult väike, vaid ka äraütlemata vastupidav. Beijerinck lisas filtreeritud vedelikule alkoholi ja selle nakkav toime ei kadunud. Beijerinck leotas filtripaberit nakatavas vedelikus ja lasi sel kuivada. Kolm kuud hiljem piisas paberi vettekastmisest, et saadud lahus uusi taimi haigestuma paneks. Beijerinck kasutas selle nakatavas elusas vedelikus sisalduva salapärase aine kirjeldamiseks sõna „viirus“. See oli esimene kord, mil keegi sellele sõnale tänapäevase tähenduse andis. Kuid teatud mõttes kasutas Beijerinck seda sõna kirjeldamaks viirusi läbi selle, mida need polnud. Need ei olnud loomad, taimed, seened ega bakterid. Beijerinck ei osanud öelda, mis need täpselt on. Peagi sai selgeks, et Beijerinck oli avastanud vaid paljude viiruste ühe liigi. 1900. aastate alguses kasutasid teised teadlased sama­sugust filtreerimise ja nakatamise meetodit, et ka teisi haigusi viirustega siduda. Lõpuks õpiti teatud viirusi kultiveerima ka väljaspool elavaid loomi ja taimi, kasutades selleks üksnes katseklaasides või laborinõudel kasvavaid rakukolooniaid. Ja kõigele vaatamata ei suutnud teadlased ikka omavahel kokku leppida, mida viirused endast tegelikult kujutavad. Mõned väitsid, et viirused on lihtsalt kemikaalid. Teised arvasid, et tegu on rakkude sisemuses kasvavate parasiitidega. Viiruseid puudutav segadus oli 16  „nakatav

elus vedelik “

sedavõrd suur, et teadlased ei jõudnud otsusele isegi selles, kas viirused on elusad või elutud. 1923. aastal kuulutas Briti viroloog Frederick Twort: „Nende olemuse määratlemine on ilmvõimatu.“ See segadus hakkas vähehaaval taanduma tänu keemik Wendell Stanley töödele. 1920ndatel õppis keemiatudeng Stanley molekule korduvatesse mustritesse paigutama ja neist kristalle moodustama. Kristallide abil saadi ainete kohta teada asju, mis seni olid sala­ duseks jäänud. Näiteks said teadlased kristalle töödelda röntgeni­ kiirgusega ja jälgida tagasi peegelduvate röntgenikiirte suunda. Röntgenikiirte abil tekitatud mustrid andsid aimu sellest, millised on molekulid kristallide sees. 1900. aastate alguses aitasid kristallid lahendada ühte bioloogia suurimatest müsteeriumidest: millest on tehtud ensüümid. Teadlased olid juba pikka aega teadnud, et ensüüme toodavad loomad ja teised elusolendid erinevate ülesannete täitmiseks, näiteks toidu lagundamiseks. Ensüümikristallide loomise käigus avastasid teadlased, et nende ehitusmaterjaliks on valgud. Stanley hakkas mõtlema, et ehk on ka viirused valgud. Selle teadasaamiseks alustas ta viirustest kristallide isoleerimise katseid. Ta valis selleks välja juba tuttava tubaka mosaiikviiruse. Stanley kogus nakatunud tubakataimede mahla ja kasutas seejärel selle filtreerimiseks peeneid filtreid, täpselt nii, nagu Beijerinck seda 40 aastat varem teinud oli. Selleks, et viirused saaksid puhtal kujul kristalliseeruda, püüdis Stanley sellest elusast nakatavast vede­ likust eemaldada kõik muud laadi ühendid, välja arvatud valgud. Puhastatud lahuse valmistamise järel jälgis Stanley, kuidas selles moodustusid tillukesed nõelakesed. Need kasvasid edasi küütlevateks lehtedeks. Inimene nägi esimest korda ajaloos viirusi palja silmaga. Need viirustest kristallid olid niisama tugevad nagu mineraalid ja sama elusad kui mikroobid. Stanley säilitas neid kuude kaupa sahvris nagu lauasoola. Kui ta kristallid vette pani, said neist taas nähtamatud viirused, mis tubakataimi sama raevukalt ründasid. Stanley eksperiment, mille tulemused ta 1935. aastal avaldas, vaimustas tervet maailma. „Vana piir elu ja surma vahel muutus pisut ähmasemaks,“ kuulutas New York Times.

tubaka mosaiikviirus ja virosfääri avastamine

17

Aga Stanley oli ühtlasi teinud väikse, kuid siiski olulise vea. Briti teadlased Norman Pirie ja Fred Bawden avastasid 1936. aastal, et viirused ei koosne ainult valgust, vaid üksnes 95 protsendi ulatuses. Ülejäänud 5 protsenti moodustas teine molekul, salapärane ahelakujuline aine nimega nukleiinhape. Hiljem avastasid teadlased, et nukleiinhapped on seotud geenidega, neis sisalduvad juhised valkude ja muude molekulide ehitamiseks. Meie rakkude geenid on peidus kaksikahelalistes nukleiinhapetes, mis kannavad nime desoksüribonukleiinhape ehk lühidalt DNA. Ka paljude viiruste geenid on DNA-põhised. Teistel viirustel, ka tubaka mosaiikviirusel, on nukleiinhape üksikahelaline ja seda nimetatakse ribonukleiinhappeks ehk RNAks. Neli aastat pärast seda, kui Stanley oli tubaka mosaiikviirused kristalliseerinud, õnnestus Saksa teadlaste rühmal viimaks näha ka üksikuid viiruseid. 1930ndatel leiutasid insenerid uue põlvkonna mikroskoobid, mille abil oli võimalik näha seninähtutest palju väiksemaid objekte. Gustav Kausche, Edgar Pfannkuch ja Helmut Ruska segasid tubaka mosaiikviiruste kristalle puhastatud vee tilkadega ning vaatasid neid seejärel uue mikroskoobi all. 1939. aastal andsid nad teada, et nägid imepisikesi, umbes 300 nanomeetri pikkusi kepikesi. Mitte keegi polnud kunagi varem ühtki ligilähedaltki nii tillukest elusorganismi näinud. Viiruste mõõtmete mõistmiseks poetage lauale soolatera. Silmitsege seda tibatillukest täppi. Selle ühele küljele oleks võimalik ritta seada umbes kümme naharakku. Või siis sada bakterit. Sellesama soolatera peale, ühest otsast teise, annaks paigutada tuhat tubaka mosaiikviiruse rakku. Järgnenud kümnenditel õppisid viroloogid viirusi nende moleku­ laarseks kaardistamiseks lahkama. Kuigi viirused sisaldavad sarna­selt meie endi rakkudele nukleiinhappeid ja valke, avastasid teadlased, et viiruse ja rakkude ehituses on ka rohkesti erinevusi. Inimese rakus on miljoneid erinevaid molekule, mida rakk kasutab oma ümbruse tajumiseks, liikumiseks, toitumiseks, kasvamiseks ja otsustamiseks, millal on sobilik poolduda või end oma kaas­rakkude hüvanguks tappa. Viroloogid avastasid, et viirused on reeglina oluliselt lihtsama ehitusega. Enamasti on tegemist valgust katte ehk kapsiidiga, milles paiknevad mõned geenid. Viroloogid said teada, et viirused on vaatamata oma kehvakestele geneetilistele tegevusjuhistele suutelised 18  „nakatav

elus vedelik “

edukaks replikatsiooniks teisi eluvorme kaaperdades. Viiruse geenid ja valgud sisenevad peremeesrakku, mida seejärel sunnitakse nende uusi koopiaid looma. Rakku siseneb üksainus viirus ja vaid päeva möödudes võib sealt väljuda tuhandeid viirusi. 1950ndateks olid viroloogid need põhitõed selgeks saanud. Kuid viroloogia arenes edasi. Esiteks teadsid viroloogid võrdlemisi vähe sellest, milliseid erinevaid viise kasutavad viirused meie haigekstegemisel. Nad ei teadnud, miks papilloomiviirus paneb jänestel sarved kasvama ja põhjustab igal aastal sadu tuhandeid emakakaela­ vähi juhtumeid. Nad ei teadnud, miks mõned viirused on tapvad ja teised jälle võrdlemisi kahjutud. Lisaks oli neil tarvis õppida, kuidas viirustel õnnestub peremeesorganismide kaitsemehhanismidest mööda hiilida ja mil moel arenevad nad kiiremini kui miski muu meie planeedil. 1950ndatel ei teadnud veel keegi, et viirus, mida hakati edaspidi nimetama HIVks, oli juba šimpansidelt ja gorilladelt meie liigile üle kolinud või et 30 aastat hiljem saab sellest üks ajaloo suurimatest tapjatest. Keegi ei osanud undki näha, kui palju viirusi Maa peal eksisteerib; inimene isegi ei aimanud, et suurt osa elu geneetilisest mitmekesisusest kannavad endas just viirused. Siis ei teatud veel, et viirused aitavad toota suurt osa hapnikust, mida hingame ja kontrollida planeedi termostaati. Ja päris kindlasti ei tulnud mitte kellelegi isegi pähe, et inimese genoom koosneb osaliselt tuhandetest viirustest, mis nakatasid meie kaugeid esivanemaid ehk siis teisisõnu – elu, mida tunneme, võis neli miljardit aastat tagasi alguse saada just viirustest. Tänaseks teavad teadlased kõiki neid asju – või täpsemalt, neist asjadest. Nad on nüüdseks teadlikud, et Maa on – alates Kristallkoopast ja lõpetades inimkeha sisemaailmaga – viiruste planeet. Kõik need teadmised on küll alles lapsekingades, aga algus on tehtud. Niisiis, hakkame meiegi pihta.