webdonsk.ruМодель вируса табачной мозаики своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 07.09.2024
Вирус табачной мозаики (TMV) это одноцепочечный РНК-вирус с положительным смыслом виды в роду Тобамовирус который поражает широкий спектр растений, особенно табак и другие члены семьи Пасленовые. В инфекция вызывает характерные закономерности, такие как "мозаика"-подобно крапчатый и изменение цвета на уходит (отсюда и название). TMV был первым вирус быть обнаруженным. Хотя с конца 19 века было известно, что небактериальный инфекционное заболевание повреждает посевы табака, и только в 1930 году инфекционным агентом было установлено, что это вирус. Это первый патоген, идентифицированный как вирус.
Содержание
История
В 1886 г. Адольф Майер впервые описал болезнь табачной мозаики, которая может передаваться между растениями, подобно бактериальный инфекции. [1] [2] В 1892 г. Дмитрий Ивановский предоставили первые конкретные доказательства существования небактериального инфекционного агента, показав, что инфицированный сок остается заразным даже после фильтрации через самые тонкие Фильтры Чемберленда. [2] [3] Позже, в 1903 году, Ивановский опубликовал статью, в которой описывал аномальные кристаллические внутриклеточные включения в клетках-хозяевах пораженных растений табака и доказывал связь между этими включениями и инфекционным агентом. [4] Тем не менее, Ивановский оставался довольно убежденным, несмотря на неоднократные попытки представить доказательства, что возбудитель был некультивируемой бактерией, слишком малой, чтобы удерживаться на используемых фильтрах Чемберленда и быть обнаруженным в световой микроскоп. В 1898 г. Мартинус Бейеринк независимо воспроизвели эксперименты по фильтрации Ивановского, а затем показали, что инфекционный агент способен воспроизводиться и размножаться в клетках-хозяевах растения табака. [2] [5] Бейеринк ввел термин "вирус"для обозначения того, что возбудитель табачной мозаики имел небактериальную природу. Вирус табачной мозаики был первым вирусом, который был кристаллизованный. Это было достигнуто Венделл Мередит Стэнли в 1935 г., который также показал, что TMV остается активным даже после кристаллизации. [2] За свою работу он был удостоен 1/4 награды Нобелевская премия по химии в 1946 г., [6] [7] хотя позже было показано некоторые из его выводов (в частности, что кристаллы были чистым белком и были собраны автокатализ) были неверными. [8] Первые электронно-микроскопические изображения ВТМ были сделаны в 1939 г. Густав Кауше, Эдгар Пфанкух и Гельмут Руска - брат лауреата Нобелевской премии Эрнст Руска. [9] В 1955 г. Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс показали, что очищенная РНК TMV и ее капсид Белки (оболочки) собираются сами по себе в функциональные вирусы, что указывает на то, что это наиболее стабильная структура (с самой низкой свободной энергией). кристаллограф Розалинд Франклин проработал у Стэнли около месяца в Беркли, а позже спроектировал и построил модель TMV для 1958 Всемирная выставка в Брюссель. В 1958 году она предположила, что вирус был полым, а не твердым, и выдвинула гипотезу, что вирус РНК TMV одноцепочечный. [10] Это предположение оказалось верным после ее смерти, и теперь известно, что это отрицательная ветвь. [11] Исследования табачной мозаики и последующее открытие ее вирусной природы сыграли важную роль в установлении общих концепций болезни. вирусология. [2]
Структура
Вирус табачной мозаики имеет стержневидный вид. это капсид производится из 2130 молекулы белка оболочки (см. изображение слева) и одну молекулу геномной однонитевой РНК, длиной 6400 оснований. Белок оболочки самособирается в стержнеобразную спиральную структуру (16,3 белка на виток спирали) вокруг РНК, которая образует структуру петли шпильки (см. электронная микрофотография над). Белковый мономер состоит из 158 аминокислоты которые собраны в четыре основные альфа-спирали, которые соединены выступающей петлей, проксимальной к оси вириона. Вирионы имеют длину ~ 300 нм и диаметр ~ 18 нм. [12] На отрицательно окрашенных электронных микрофотографиях виден отчетливый внутренний канал радиусом ~ 2 нм. РНК расположена в радиусе ~ 4 нм и защищена от действия клеточных ферментов белком оболочки. [13] Рентгеновский дифракция волокна структура интактного вируса была изучена на основе электронная плотность карта с разрешением 3,6 ?. [14] Внутри спирали капсида, рядом с ядром, находится скрученная молекула РНК, состоящая из 6 395 ± 10 нуклеотидов. [15] [16]
Геном
Геном TMV состоит из одноцепочечного (ss) 6,3–6,5 т.п.н. РНК. 3’-конец имеет тРНК-подобная структура, а 5 ’конец имеет метилированный нуклеотидный колпачок. (m7G5’pppG). [17] Геном кодирует 4 открытые рамки для чтения (ORF), две из которых производят один белок за счет рибосомальный чтение дырявого UAG стоп-кодон. 4 гена кодируют репликаза (с метилтрансферазой [MT] и РНК-геликаза [Hel] домены), РНК-зависимый РНК-полимераза, так называемый белок движения (МП) и капсидный белок (CP). [18]
Физико-химические свойства
TMV - это термостабильный вирус. На высушенном листе он может выдерживать температуру до 50 ° C (120 градусов по Фаренгейту) в течение 30 минут. [19]
Цикл болезни
TMV не имеет отчетливого перезимовка структура. Скорее, он будет перезимовать в инфицированных стеблях и листьях табака в почве, на поверхности зараженных семян (TMV может выжить даже в зараженных табачных изделиях в течение многих лет). При прямом контакте с растениями-хозяевами через их переносчиков (обычно насекомые, такие как тля и цикадки), TMV пройдет через процесс заражения, а затем через процесс репликации.
Инфекция и передача
После своего размножения он попадает в соседние клетки через плазмодесматы. Инфекция распространяется при прямом контакте с соседними клетками. Для беспрепятственного проникновения ВТМ производит 30 к.Да белок движения называется P30, который увеличивает плазмодесматы. TMV, скорее всего, перемещается от клетки к клетке в виде комплекса РНК, P30 и реплицируемых белков.
Он также может распространяться через флоэма для передвижения на большие расстояния внутри растения. Более того, TMV может передаваться от одного растения к другому при прямом контакте. Хотя TMV не имеет определенных векторов передачи, вирус может легко передаваться от инфицированных хозяев к здоровым растениям при контакте с людьми.
Репликация
После проникновения в организм хозяина посредством механической инокуляции TMV расщепляется, чтобы высвободить свою вирусную [+] цепь РНК. Когда происходит снятие покрытия, ген MetHel: Pol транслируется с образованием кэпирующего фермента MetHel и РНК-полимеразы. Затем вирусный геном будет далее реплицироваться с образованием множества мРНК через промежуточный [-] РНК, примированный тРНК.ЕГО на конце [+] РНК 3 '. Полученные мРНК кодируют несколько белков, в том числе белок оболочки и РНК-зависимая РНК-полимераза (RdRp), а также белок движения. Таким образом, TMV может реплицировать собственный геном.
После того, как белок оболочки и геном РНК TMV были синтезированы, они спонтанно собираются в полные вирионы TMV в высокоорганизованном процессе. Протомеры объединяются, чтобы сформировать диски или стопорные шайбы состоит из двух слоев протомеров, расположенных по спирали. Спиральный капсид растет за счет добавления протомеров к концу стержня. По мере удлинения стержня РНК проходит через канал в его центре и образует петлю на растущем конце. Таким образом, РНК может легко вписаться в спираль внутри спирального капсида. [21]
ВТМ является простым вирусом, неоднократно находивший применение в микробиологических исследованиях. Он давно знаком науке и хорошо освоен.Обнаружение вируса табачной мозаики привело к появлению вирусологии. В 1892 году началось исследование растений, заражённых ВТМ. С помощью предварительно обработанного сока больных органов растений российский биолог Д.И. Ивановский инфицировал здоровые растения. И они были подвержены действию какого-то микробиологического объекта, оказавшегося в разы меньше, известных на тот момент, бактерий.
Вирус имеет палочковидную форму вирионов, относится к группе тобамовирусы. Термостабилен, точка термической инактивации 95°С, чрезвычайно устойчив во внешней среде.
При ВТМ на листьях и плодах обнаруживаются пятна, вследствие чего первые приобретают мозаичный вид, отчего и происходит это название. В зараженных местах кожица истончается и становится легко проницаемой.
Начатый как выявление бактерий, поражающих культурные растения, и завершившийся открытием нового типа болезнетворного агента, этот эксперимент оказался важным не только для сельского хозяйства (изучение поражения патогеном семейства Пасленовых), но и для фундаментальной науки (действие вирусов на человека и животных).
До открытия структуры вируса было неясно, как именно он живёт и размножается. После того, как стало известно, что данный патоген состоит из белков и нуклеиновой кислоты (у некоторых так же есть липидная мембрана), стало понятно, что он не способен сам синтезировать белок, и вне клетки подобен конгломерату макромолекул. Тем не менее, попав в клетку, он начинает воспроизводить себе подобных.
Очередной подъем фитовирусологии произошел с открытием роли нуклеиновых кислот и генетического кода в реализации генетической информации организма. Для понятия схемы трансляции РНК вирусы оказались самым наглядным видом модели. Исследования, проводимые молекулярными клеточными биологами, привели к понятию механизма продуцирования клетками белковгй наукибъекта меньшего размер.
В данный момент заинтересованность в вирусных заболеваниях растений заметно спала. Но вместе с тем возросло их практическое значение в биотехнологии, для производства фармацевтической продукции, получения моноклональных антител. В последние годы публикуются проекты, где вирусы растений, сшитые с ионами металлов, используются для производства нанопроводников.
Капсид вируса выглядит как спираль, сформированная 130 витками. Она составлена из 2130 мономеров, содержащих по 158 аминокислотных остатков. Генетическим материалом ВТМ является одноцепочечная РНК. Последняя заключена в белковый капсид, представленный 2130 идентичными полипептидными субъединицами. В 1955 г. в исследовании с "переодеванием" было доказано, что не только ДНК может осуществлять функцию носителя генетического материала. Френкель-Конрад взял два штамма патогена, отличающихся между собой по обширности и виду поражения листьев табака. Обособив белковый капсид от рибонуклеиновой кислоты, он реконструировал болезнетворный агент так, чтобы РНК из одного штамма покрывалась белковым чехлом другого. Это доказало, что болезнь, отраженная на листьях, не определялась штаммом белка, а зависела от наследственного материала. Копирование рибонуклеиновой кислоты ВТМ происходит посредством РНК-зависимой РНК-полимеразы , закодированной в геноме данного вида патогена. В начале этот фермент достраивает цепь по принципу комплементарности (минус-цепь), не кодируещей белки в отличие от плюс-цепи, а затем по ней, синтезирует огромное количество болезнетворных РНК.
ВТМ поражает клетки хлоропластов, соответственно разрушается хлорофилл, что дает сбой при фотосинтезе, нарушает дыхание и другие процессы, необходимые для нормальной жизнедеятельности растения. Вирус табачной мозаики передается через семена, с соком больных растений во время пикировки рассады, при пасынковании, соприкосновении больных и здоровых растений и легком взаимном травмированных, напр. при ветре. Переносчиками данного патогена считаются - тли, клопы, клещи, почвенные нематоды. Мозаика проникает через повреждённые части растения.
Сочетание вируса табачной мозаики с другими вирусами (Х, Y-вирус картофеля, вирус огуречной мозаики) вызывает сложный стрик и появление на плодах, листьях, стеблях и черешках участков буро-коричневых штрихов, широких и узких полос, которые со временем отмирают.
Таким образом можно сделать вывод о том, что ВТМ сыграл важную роль не только в открытии нового патогена и такого направления современной науки как вирусология, но и в дальнейшем исследовании поведения болезнетворных агентов, их размножении, а также помог разобраться в механизме образования белка в клетке. Его изучение, особенно современными методами, актуально и по сей день.
Вирус табачной мозаики (ВТМ) — РНК-вирус, заражает растения рода Nicotiana, а также других представителей семейства Solanaceae. Первый известный вирус, открытый 1892 Дмитрием Ивановским. В отличие от многих вирусов растений СТМ успешно размножается в культурах протопластов облегчает работу с этим объектом. СТМ — один из наиболее подробно изученных растительных вирусов.
Для вируса табачной мозаики характерна спиральная симметрия. Его вирионы имеют вид жестких полых палочек размером 15-18 x 300 нм, капсид состоит из 2 130 одинаковых белков протомеры. Геном представлен одной однонитевой (+) — РНК.
История открытия
В 1886 году датский ученый Адольф Мейер показал, что мозаичная болезнь табака передаетсья от одного растения к другому. 1892 русский ботаник Дмитрий Ивановский пытался выделить возбудителя этого заболевания. Он показал, что экстракт из больного мозаику растения сохраняет инфекционные свойства даже после пропускания через керамический фильтр, с порами, задерживали маленькие из известных в то время бактерии. Так был открыт вирус табачной мозаики и вирусы вообще. Однако Ивановский предполагал, что инфекционные свойства сока могут быть обусловлены наличием определенного токсина.
1935 Уэнделл Стэнли окончательно показал, что вирус мозаики табака не является жидкостью, а существует в форме мелких частиц, которые однако разительно отличаются от других микроорганизмв тем, что их можно кристаллизовать как химическое вещество, благодаря простоте и гомогенности строения. В 1930-х годах для исследования биологических объектов также начали использоваться электронные микросокпы. Первая электронная микрография СТМ была опубликована в 1939 году.
Строение вириона
Геном СТМ
Как и в большинстве вирусов растений геном СТМ представлен одной одноцепочечной (+) РНК (то есть кодирующих, такой с которой может идти трансляция) длиной 6400 нуклеотидов, кодирующей четыре гена (два гена полимеразы, ген белков-протомеры, и ген белка , необходимого для перемещения через плазмодесмы). 5'-конец этой РНК содержит 7-метилгуанозин, 3 'конец имеет выраженную вторичную структуру, однако без поли (А) последовательностей.
Жизненный цикл
Инфекция
СТМ очень стабильный и может храниться несколько лет в сигаретах изготовленных из больных листьев. Этот вирус может распространяться ветром или животными и проникает в растение через поврежденные участки. В клетках, инфицированных ВТМ, вирусные частицы накопичуюються в большом количестве и могут образовывать скопления, заметные под оптическим микроскопом. Также в этих клетках деградируют хлоропласты, а образование новых подавляется. По организму растения СТМ может перемещаться с флоемним соком, а между отдельными клетками — очень медленно (~ 1 мм в день) через плазмодесмы, в чем ему помогает специальный белок.
В ХVII столетии в семье голландского ремесленника Левенгука родился мальчик. Его назвали Антоний. Он стал галантерейщиком, когда вырос. Но всю жизнь Антоний увлекался шлифовкой увеличительных стекол. В этом деле он достиг необычайных успехов. Его двояковыпуклые линзы давали четкие, ясные изображения с увеличением до 300 раз. Это гораздо больше, чем можно было получить с помощью доступных тогда двухлинзовых микроскопов.
С помощью своих линз Левенгук увидел многое, до того невидимое. Он смог увидеть даже бактерии – им описаны бациллы, кокки и спириллы. Способ изготовления линз Левенгук держал в секрете, поэтому вновь увидеть бактерии ученые смогли лишь в XIX в., когда научились делать хорошие микроскопы. Работы Левенгука открыли путь к исследованиям нового мира – мира микроорганизмов.
Почти детективная история
. Его имя в науке о вирусах следует рассматривать почти в том же свете, как имена Пастера и Коха в бактериологии. Имеются все основания считать Ивановского отцом новой науки – вирусологии.
У.Стэнли
В 1887 г. в Крыму плантации табака поразила неизвестная болезнь: листья растений покрывались сложным абстрактным рисунком, растекавшимся по листу, словно краска, переливающаяся с одного листа на другой, от одного растения к другому. Сельское хозяйство несло большие убытки.
На место происшествия был направлен выпускник Санкт-Петербургского университета Д.И. Ивановский. Молодой ученый решил выяснить, какая бактерия вызывает болезнь табака. Надо отметить, что расцвет микробиологии пришелся на конец XIХ столетия. Микроскоп есть, методы приготовления и окраски препаратов известны. Стало быть, доказать микробную природу поражения будет нетрудно. Однако задача оказалась весьма не простой.
Д.И. Ивановский
Просмотр огромного количества препаратов, приготовленных из экстрактов больных листьев, не принес удачи. Не удалось получить ответ на вопрос: есть ли микробы в экстрактах из пораженных листьев? В то же время при заражении здоровых листьев соком из больных (инъекции в толщу здоровых листьев) результат был всегда одинаковым: здоровые листья заболевали через 10–15 дней. Это напоминало инкубационный период, свойственный любой инфекции, в течение которого микробы, размножаясь, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Но прямого доказательства не было.
Лист, пораженный вирусом табачной мозаики
Ивановский фильтрует сок из больных листьев через этот фильтр. Идея проста, профильтрованный сок не должен содержать микробов. И, следовательно, не сможет заразить здоровые листья табака. Но к изумлению исследователя, при нанесении капли абсолютно прозрачной жидкости на здоровые листья на них появляется характерный абстрактный рисунок, т.е. развивается болезнь. Вывод один – в отфильтрованном соке растения есть неизвестные микробы – возбудители мозаичной болезни табака (ВТМ).
Рисунок Ивановского, изображающий вирусные кристаллы и аморфные вирусные включения в клетках мозаичного табака
Микрофотографии разных вирусов
Однако вирусы по-прежнему оставались неуловимыми и загадочными, ведь они крайне малы, их невозможно увидеть в световом микроскопе. Вот и получилось, что вирусы стали одними из первых биологических объектов, исследованных с помощью электронного микроскопа после его изобретения в 30-х гг. ушедшего столетия.
Империя вирусов
И задом наперед, совсем наоборот.
Если бы это было так,
это бы еще ничего, а если бы ничего,
оно бы так и было, но так как это не так,
так оно и не этак! Такова логика вещей.
Строение вируса табачной мозаики
Свойства вирусов
Вирусы – мельчайшие живые организмы. Их размеры меньше половины длины световой волны, поэтому их измеряют в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Размеры вирусов колеблются в пределах от 20 до 300 нм. Вирусы не способны расти на искусственных питательных средах и развиваются только в живых клетках.
Таким образом, два критерия, по которым вирусы были ранее выделены среди микроорганизмов, потерпели фиаско. Возникают вопросы: кто или что такое вирусы и чем они отличаются от других представителей микромира?
Вирусы устроены довольно просто. Самые простые состоят из нуклеиновых кислот и белков. Генетический аппарат вирусов представлен различными формами нуклеиновых кислот, такого разнообразия нет у других форм жизни. Как известно, у растений и животных генетический аппарат состоит из двухнитчатой ДНК, а РНК, выполняющая роль переносчика информации, всегда однонитчатая. У вирусов же природа будто бы опробовала все возможные варианты нуклеиновых кислот: одно- и двухнитчатая РНК, одно- и двухнитчатая ДНК. При этом ДНК может быть либо линейной, либо замкнутой в кольцо.
ДНК или РНК составляют сердцевину вируса, окруженную защитной белковой оболочкой – капсидом. Полностью сформированная вирусная частица называется вирионом. Некоторые вирусы (герпеса или гриппа) имеют также липопротеидную оболочку, образующуюся из плазматической мембраны клетки-хозяина. Вирусы, в отличие от всех остальных организмов, не имеют клеточного строения.
Оболочка вируса часто может быть построена из повторяющихся идентичных субъединиц – капсомеров. Из них образуются структуры с высокой степенью симметрии. Эти структуры и способны кристаллизоваться, что и обнаружил Д.И. Ивановский. Это свойство вирусов использовали для изучения их строения методами кристаллографии, основанными на применении рентгеновских лучей, и электронной микроскопии.
Игра без правил
1. Для борьбы с инфекциями люди с давних пор использовали разные дезинфицирующие средства. Сравнительно недавно для этих целей применяли 3–5%-ный раствор фенола (карболку), убивающий все микроорганизмы, а для обеззараживания небольших ран – различные спиртовые настойки.
У вирусов все не так! Нуклеиновую кислоту вируса выделяют с помощью фенола и хранят в спирту!
2. Антибиотики, убивающие бактерии, безвредны для вирусов.
Схема 1. Гибридизация вирусов
Оказалось, что такие гибриды образуются и естественным путем, вызывая хронические вирусные болезни.
Архитектура вирионов
Вирионы – обычно симметричные тела, состоящие, как указано выше, из повторяющихся элементов – капсомеров. В основе строения вирионов, определяемого взаимодействиями белков между собой и с нуклеиновыми кислотами, лежат законы термодинамики, определяющие правильную кристаллообразную структуру вирионов. Эти структуры образуются в результате самосборки. Возможные ошибки во время этого процесса исправляются также в результате действия законов термодинамики. Кроме того, законы термодинамики объясняют и реконструкцию исходной структуры вириона при смешивании его отдельных составных частей.
Вирионы разных вирусов:
а–вирус оспа-вакцины; б–вирус простого герпеса человека,
в–вирус гепатита В, г–аденовирус человека, д–вирус гриппа,
е–вирус гепатита А, ж–бактериофаг лямбда
Сложные вирусы – вирусы гриппа и парагриппа, рабдовирусы, вирус оспы и бактериофаги (вирусы, поражающие бактерии). Вирус оспы – гигант среди вирусов.
Строение бактериофага
Эволюционное происхождение вирусов
В индонезийской публикации речь уже не о моноклональных антителах, а о капсомерах ВТМ, которые, будто бы могут при некоторых условиях работать, как нано-абразив, "спиливая" шипы с белковой оболочки коронавируса.
Объяснение выглядит мягко говоря странно, однако корреспондирует с не менее странным заявлением пресс-службы МГУ (см. выше) об использовании капсомеров ВТМ в сочетании со специфическими белками коронавируса.
Цилиндрическое строение ВТМ, покрытого рядами капсомеров.
. Действительно чем-то напоминает вращающийся нано-напильник и, в общем-то, наномашины ничем не противоречат известной физхимии, однако очень сомнительно чтобы их работа настолько сильно напоминала работу макро-машин.
Читайте также: