Kategoria: wirusologia

Wirus Marburg (MARV) vs. SARS-CoV-2

Piotr Rieske1 Comment

Dlaczego wirus Marburg (MARV) pomimo, że odpowiedzialny za gorączkę krwotoczną, nie jest na razie tak straszny dla ludzkości, jak był SARS-CoV-2 powodujący COVID-19?

Historia wirusa Marburg pokazuje, że to, co jest wyciekiem z laboratorium, może powstać w naturze i że to, co ma wysoką śmiertelność (40-80% wirus Marburg/choroba marburska) nie musi być tak groźne dla populacji, jak coś ze śmiertelnością na poziomie 0,5% SARS-CoV-2 (COVID-19).

Dlaczego Marburg?

Nazwa „wirus Marburg” ma związek z tym, że pierwsze znane przypadki (1967 rok) wystąpiły u naukowców między innymi w tym mieście. Badali oni zakażone zwierzęta – koczkodany zielone. Siedem osób zmarło, około 25 było zakażonych. Gorączkę krwotoczną wywoływaną przez wirusa Marburg nazywa się niekiedy chorobą marburską.

Zakażeni w 1967 roku naukowcy pracowali głównie nad szczepionką przeciw polio i pozyskiwali do tego celu komórki z nerek zwierząt. Taką procedurę wykorzystywano do czasu opracowania takich linii komórkowych jak HEK-293 czy MRC5. Te ostatnie linie są pochodzenia ludzkiego.

Wyciek wystąpił więc z laboratorium, ale pochodzenie wirusa było naturalne. Dlatego niektórzy sprzeciwiają się określeniu wyciek. Jest to przykład problemu w tworzeniu przekazów. Niektórym wyciek z laboratorium (ang. lab leak) kojarzy się jednoznacznie z projektowaniem wirusa przez człowieka – co nie oddaje stanu faktycznego. Późniejsze opisane epidemie w Afryce wynikały z zakażeń odzwierzęcych bez pośrednictwa naukowców.

Wirus Marburg. Źródło Wikipedia.

Jaskinia Kitum, ekspedycja wojskowa Amerykanów i radziecki VECTOR

Instytut badawczy chorób zakaźnych armii amerykańskiej (USAMRIID, United States Army Medical Research Institute of Infectious Diseases) zorganizował ekspedycję naukową do jaskini Kitum znajdującej się w Kenii. Oficjalnie, aby badać biologię wirusów. Istniała obawa, że jaskinia to wylęgarnia m.in. wirusa Marburg, Ebola itp. Jest to niezwykłe miejsce, w którym „spotykają” się np. słonie i nietoperze (wyjątkowy ekosystem). Według niektórych geologów Kitum nie jest w ogóle jaskinią tylko, pewnego rodzaju „kopalnią” wydrążoną przez słonie pozyskujące w tym miejscu sól. Wpływająca woda dopełnia dzieła rozpoczętego przez ciosy słoni. Jest to też w związku z tym pewnego rodzaju grobowiec słoni.

Groźnych wirusów w czasie ekspedycji USAMRIID nie wykryto, chociaż lokalni Masajowie potwierdzili dziwne przypadki wykrwawień w osadach położonych w okolicy jaskini. Podobne ekspedycje do autentycznych kopalni w Ugandzie i Kenii pozwoliły wykryć zakażone nietoperze.

USAMRIID ma siedzibę w Fort Detrick w stanie Maryland. Fort Detrick był centrum amerykańskich badań nad bronią biologiczną od 1943 do 1969 roku. Po oficjalnym przerwaniu badań nad bronią biologiczną stał się siedzibą dla naukowców prowadzących Program Obrony Biologicznej Stanów Zjednoczonych – w ostatnich latach nazywany także Narodową Strategią Obrony Biologicznej.

Programy takie mają chronić przed bioterroryzmem, ale paradoksalnie prawdopodobnie to oficer/naukowiec USAMRIID stał za rozsyłaniem kopert zawierających wąglika w Stanach Zjednoczonych w 2001 roku. Było to wkrótce po atakach terrorystycznych Al-Kaidy na budynki WTC (World Trade Center). Atak wąglikowy FBI nazwało Amerithrax (zbitka wyrazowa od „America” i „anthrax”). Niestety najpewniej nie dowiemy się już, czy na pewno za atakami stała osoba z USAMRIID, bo podejrzany popełnił samobójstwo. Problem bioterroryzmu jest uznawany za bardzo poważny. Sprawa miała w USA najwyższą rangę, chociaż kopert nie rozesłano wiele, a osoba zakażona za pomocą rozpylonych zarodników zachoruje na postać płucną i nie będzie mogła zakażać innych.

Kolejne wycieki wirusa Marburg z laboratoriów miały miejsce w ZSRR w roku 1988 i 1990. Co najmniej w jednym przypadku z laboratorium związanego z produkcją broni biologicznej, ale również szczepionek przeciw takim chorobom jak gorączki krwotoczne (VECTOR). Takie incydenty przyczyniają się do utrwalenia wśród społeczeństwa przekonania o próbach wykorzystania tych wirusów jako broni biologicznej. Niestety pomimo że z filowirusami takimi jak Ebola, wirus Sudanu, wirus Marburg czy wirus Ravn pracuje się w laboratoriach BSL4 (najwyższy poziom bezpieczeństwa biologicznego ang. biosafety level 4), wypadki się zdarzały. Niektórych oczywiście przerażają takie sytuacje i widzą w tych laboratoriach – dość literalnie – puszki Pandory.

Jaskinia Kitum Źródło wikipedia.

Wirusy gorączek krwotocznych w literaturze i filmie

Zainteresowanie tymi wirusami przez armię jest przedstawione w sposób dramatyzowany np. w filmie „Epidemia”, a ekspedycja do jaskini Kitum została beletrystycznie opisana przez Richarda Prestona w „The Hot Zone” (1994). Zalążkiem tej noweli był ten artykuł Prestona w New Yorkerze.

https://www.newyorker.com/magazine/1992/10/26/ebola-outbreak-crisis-in-the-hot-zone

Nazwa „hot zone” w tym kontekście wywodzi się ze slangu laboratoriów takich jak to osadzone w Fort Detrick. Jest to miejsce, w którym doszło do kontaminacji – wydostania się patogenu spod kontroli. Jeśli w tym miejscu znajdują się zwierzęta, zabija się je natychmiast i spala. Ludzi zamyka się w skafandrach lub kapsułach i transportuje do specjalnego szpitala. Fort Detrick posiada takie oddziały szpitalne. Twórcy filmu „Epidemia” trochę inspirowali się „The Hot Zone” Prestona. Preston dużo pisał o zagrożeniu bioterroryzmem. Zapewne niekiedy dodawał swoim opisom dramatyzmu, ale inspirację czerpał z kontaktów z takimi osobami jak Clarence James Peters, Jr, który był pułkownikiem i profesorem w USAMRIID.

Nowela Prestona „The Cobra Event” (1998), była inspiracją dla Billa Clintona. Prezydent ten – krótko po tym, jak zaczął czytać tę nowelę – zainicjował prace nad wzmocnieniem działań przeciwko bioterroryzmowi w Stanach Zjednoczonych.

Bez wątpienia w przypadku zastosowania wirusa Marburg jako broni biologicznej wyobrażalne chociaż niezwykle mało prawdopodobne jest uniknięcie tzw. efektu zwrotnego. Efekt zwrotny to największy problem broni biologicznej dla jej twórców. Jest to skierowanie się wykorzystanego patogenu przeciwko temu, kto go użył. Patogen pozbawiony efektu zwrotnego może teoretycznie szybko wyeliminować osoby znajdujące się w określonym położeniu i nie rozprzestrzenić się poza ten obszar. Jest to więc patogen, który w krótkim czasie doprowadza do śmierci, czy unieszkodliwienia zakażanych, ale też taki, który nie będzie dalej transmitowany. Wirus Marburg może odegrać taką rolę tylko wtedy, jeśli zostanie użyty w odizolowanym obiekcie. Można więc np. użyć takiej broni jak wirus Marburg na pokładzie okrętu podwodnego bardzo oddalonego od innych jednostek. Typowym przykładem działania związanego z próbą uniknięcia efektu zwrotnego jest wspomniane wcześniej rozpylenie wąglika.Jak wskazano, wąglikiem w zasadzie nie można się zakazić od chorego na postać płucną. Natomiast obszar, gdzie użyje się takiej broni jak przetrwalniki wąglika, jest obszarem skażonym na długi czas szczególnie ze względu np. na zagrożenie dla zwierząt roślinożernych. Taka sytuacja miała miejsce na wyspie ​Gruinard. Po próbach z wąglikiem w czasie II wojny światowej wyspa została odcięta od świata na prawie 50 lat. U człowieka jeśli nie mamy do czynienia ze specjalnie przygotowanym preparatem wrota zakażenia dla wąglika to zraniona skóra.

Dlaczego to wirusy takie jak SARS-CoV-2 były i są większym problemem niż wirusy takie jak Marburg?

Zakażenia wirusem Marburg pokazują, że największe zagrożenie epidemiologiczne dla świata nie musi wynikać z wysokiej śmiertelności. Na ten typ gorączki krwotocznej może umierać początkowo nawet 80% zakażonych, a mimo to umieralność (liczba zmarłych w określonym czasie na 100 tysięcy) jest znikoma, w porównaniu z umieralnością COVID-19.

W przypadku wirusa Marburg zakaźność w populacji ogólnej jest niższa, m.in. dlatego, że ludzie dość instynktownie unikają kontaktu z osobą, która krwawi z wielu miejsc, w tym niekiedy z oczu. W przypadku SARS-CoV-2 objawy nie są tak szokujące i nie wzbudzają takiego niepokoju. Mniejsze zagrożenie SARS-CoV-2 niż MARV – z punktu widzenia jednego człowieka (jednostki) – stało się przyczyną poważnego zagrożenia dla współczesnej populacji.

Ponadto, do zakażenia wirusem Marburg dochodzi zazwyczaj w wyniku kontaktu z krwią, czy wydzielinami chorego, ubraniami oraz pościelą. Transmisja typowa dla SARS-CoVo-2 należy w przypadku wirusa Marburg do rzadkości. Wysoka śmiertelność nie jest jedynym wyznacznikiem niebezpieczeństwa. AIDS miał początkowo śmiertelność w granicach 99%. Umieralność jednak była znikoma (niższa niż grypy).

Oczywiście nie oznacza to, że wirusa Marburg można lekceważyć. Wiriony wirusów gorączek krwotocznych znajdowano w nasieniu ozdrowieńców po wielu latach od zachorowania.

Bioterroryzm jest, jak wskazano powyżej, traktowany poważnie i żadne zagrożenia nie są lekceważone. Rozsyłanie wąglika (Amerithrax) w 2001 roku jest tego przykładem. Co prawda działania grup antyszczepionkowych prowadziły do większej liczby zgonów niż Amerithrax w związku z COVID-19. O wiele trudniej jednak walczyć z bronią w formie idei, niż z bronią biologiczną fizycznie istniejącą. Idea jest w stanie rozwinąć się i zakażać kolejne osoby, nawet po skazaniu kogoś, kto za nią stoi. Listy z wąglikiem przestaną być rozsyłane, natomiast maile, posty („listy”) z dezinformacją po skazaniu jakiegoś guru antyszczepionkowego, mogą być rozsyłane nawet częściej.

Wyciek z laboratorium i puszka Pandory vs. to jak człowiek „czyni sobie Ziemię poddaną”

Wirusa Marburg i SARS-CoV-2 łączy rozważanie o tzw. lab leak – wycieku z laboratorium. Coraz więcej wskazuje na to, że SARS-CoV-2 pochodził z rynku w Wuhan, gdzie handlowano różnymi zabitymi zwierzętami. Oczywiście, ktoś może twierdzić, że jakieś zwierzę trafiło na rynek w Wuhan z laboratorium. Analizy genetyczne temu jednak przeczą. Samo tworzenie laboratoriów jest związane z odwiecznym problemem tego, czy próba zapobieżenia czemuś nie doprowadzi do samospełnienia się przepowiedni, której chce się zapobiec. Niektórzy uważają, że takie miejsca to właśnie „puszki Pandory”. Nie ma jednak żadnych dowodów na to, że SARS-CoV-2 wyciekł z laboratorium. Natomiast zostało to udokumentowane w przypadku SARS po tym, jak wirus ten był już poznany i został wprowadzony do laboratoriów z próbek osób zakażonych (2004-2012). Po tych incydentach liczba zakażonych była bardzo ograniczona – głównie do pracowników laboratoriów. Wynikało to z innej charakterystyki zakaźności SARS niż SARS-CoV-2 i z tego, że pracownicy laboratoriów BSL4 są właściwie codziennie badani, a także izolowani po wykryciu objawów dowolnej infekcji. Laboratoria takie przypominają stacje kosmiczne, jeśli chodzi o możliwości izolacji pracowników i materiału zakaźnego. Jest prawdą, że ludzie tworzyli broń biologiczną, wykorzystując do tego chociażby bakterie wąglika. Obwinianie jednak takich laboratoriów jak w Wuhan o pandemie jest błędem. Zjawiska takie jak epidemie zoonotyczne są znacznie bardziej skomplikowane i wpisują się w ogół działań człowieka.

Szczepionka przeciw chorobie marburskiej

Opracowywanych jest kilka szczepionek przeciwko gorączce krwotocznej wywoływanej przez wirusa Marburg. Szczepionki te testuje się od pewnego czasu w tak zwanym wariancie/strategii RING, kiedy dochodzi do lokalnych zakażeń. Strategia RING oznacza, że otrzymują ją w ramach badania klinicznego osoby spokrewnione i takie, które mogły, czy mogą mieć kontakt z zakażonym(i) – krąg osób bezpośrednio narażonych. Są to głównie szczepionki wektorowe przypominające analogiczne zastosowane, aby zapobiegać COVID-19. Do badań klinicznych przygotowuje się obecnie Rwanda. Testy bezpieczeństwa na ochotnika w USA zakończyły się sukcesem.

Literatura dodatkowa

Deadly Marburg virus: scientists race to test vaccines in outbreak (nature.com)

Genetic tracing of market wildlife and viruses at the epicenter of the COVID-19 pandemic: Cell

World-first therapy using donor cells sends autoimmune diseases into remission (nature.com)

Marburg Virus in Fruit Bat, Kenya – Volume 16, Number 2—February 2010 – Emerging Infectious Diseases journal – CDC

Jak sierp, młot i swastyka odebrały Rudolfowi Weiglowi nagrodę Nobla

Piotr Rieske2 komentarze

Polak Rudolf Weigl nigdy nie dostał nagrody Nobla, chociaż opracował szczepionkę przeciw tyfusowi, bo nie chciał być naukowcem ani spod znaku swastyki, ani czerwonej gwiazdy. Pomógł uratować miliony istnień bezpośrednio, a pośrednio Herberta, Banacha, Wisłocką i wielu innych. Tyfus występował tam, gdzie były wojna i głód.

Drugiego września 1883 roku w Przerowie (obecnie Czechy) w austriackiej rodzinie przyszedł na świat Rudolf Weigl. Był Polakiem z wyboru. Niszczyli go komuniści i hitlerowcy. Wszy tyfusowe karmił własną krwią. Odznaczali go medalami papież i król Belgii. O karmiciel(k)ach „wszy Weigla” śpiewał nawet Jacek Kaczmarski. Jak to z tym tyfusem i Weiglem było?

Prof. Rudolf Weigl (z archiwum rodzinnego Krystyny Weigl-Albert i Mai Weigl-Wojnarowskiej)

Tyfus zabijał od stuleci, szczególnie tam gdzie pojawiała się wojna i głód

Podczas odwrotu Wielkiej Armii spod Moskwy w 1812 roku, tylko w Wilnie, przebywało w szpitalach około 25 tysięcy żołnierzy Napoleona. Przeżyło zaledwie trzy tysiące. Większość umarła na tyfus plamisty. Paweł Edmund Strzelecki znany głównie z odkryć geograficznych, pomagał Irlandczykom w czasie głodu i tyfusu (1845-49). Zaraza ziemniaczana powodowana przez pierwotniaka grzybopodobnego dotarła do Irlandii z USA, gdzie była mniej groźna, bo tam występowały bardziej zróżnicowane odmiany ziemniaka.

Wielki Głód w Irlandii (an Gorta Mór, Great Famine, 1845 – 1852): ekologia i polityka – Eksperyment Myślowy (eksperymentmyslowy.pl)

Na ziemiach polskich, zaraza ta najbardziej dotknęła w 1847 Galicję i tam również wtórnie do głodu pojawił się tyfus plamisty. Lepiej broniły się regiony z żywnością otrzymywaną ze zbóż. Irlandczycy zaufali szybciej Polakowi i katolikowi niż Anglikom. Strzelecki pomagał im pomimo, że sam zachorował. Irlandczycy zaczęli masowo migrować do USA. Spowodowało to wybuch epidemii tyfusu w Nowym Jorku w 1847 roku. Tyfus był jedną z głównych przyczyn powstania Wyspy Imigrantów (Ellis Island). Na wyspie, głównie w latach 1892–1924, obserwowano między innymi, czy przybywający do USA nie chorują na jakąś chorobę zakaźną.

Rodzina imigrantów na nabrzeżu na Ellis Island, patrząca na panoramę Nowego Jorku w oczekiwaniu na prom. Bettmann Archive/Getty Images

Tyfus zabił więcej Amerykanów w czasie wojny secesyjnej niż kule. W czasie I WŚ, tyfus plamisty był tak powszechny wśród żołnierzy, że powstrzymywano działania wojenne na wiele tygodni. Między innymi dlatego żołnierzy strzyżono potem „na zapałkę”.

Na tyfus umarło wielu jeńców sowieckich po przegranej przez Rosję sowiecką wojnie polsko-bolszewickiej. Putin próbował porównać to do Katynia. Prezydent Kaczyński skrytykował to idiotyczne porównanie w znanym przemówieniu, pierwszego września 2009 roku na Westerplatte.

Również Weigl jako sanitariusz (dziś powiedzielibyśmy ratownik pola walki), był świadkiem tragedii epidemii tyfusowej. Było to w trakcie pierwszej wojny światowej. Właśnie w lazarecie armii austriackiej zdecydował się opracować szczepionkę, przeciw tyfusowi plamistemu.

Rudolf Weigl wśród austriackich lekarzy i wojskowych. Pierwsza wojna światowa.

Szczepionka Weigla ratowała miliony istnień

Szczepionkę przeciw tyfusowi plamistemu Rudolf Weigl opracował w 1920 roku. Do jej produkcji potrzebni byli karmiciele wszy (strzykacze). Weigl karmił wszy również własną krwią – był jednym z pierwszych strzykaczy. Szczepionkę Weigla wprowadzono na dużo skalę w katolickich belgijskich misjach w Chinach. Król Belgii odznaczył Weigla w 1937 roku Orderem Leopolda. Jest to jedno z najwyższych odznaczeń belgijskich. W czasie II WŚ, szczepionka potajemnie była produkowana przez Państwowy Zakład Higieny w Warszawie i dostarczana partyzantom Armii Krajowej oraz więźniom w obozach koncentracyjnych i do gett. Uratowała życie olbrzymiej liczbie ludzi. Weigl odmówił podpisania volkslisty mimo, że Niemcy obiecali mu pomoc w zdobyciu Nobla. „Człowiek raz na całe życie wybiera sobie narodowość. Ja już wybrałem”. Weigl odmówił bycia naukowcem zarówno spod czerwonej gwiazdy, jak i swastyki.

Na zdjęciu widać jak odbywało się karmienie wszy.

Zemsta Chruszczowa po zemście hitlerowców

Weigl miał powiedzieć Chruszczowowi: „Nigdzie nie ma tak wspaniałych wszy jak we Lwowie”. Weigl musiał jednak wyjechać do Krakowa. Po wybuchu rewolucji na tyfus zachorowało 25 mln ludzi, a zmarło ok. 10% chorych. „Albo socjalizm pokona wszy, albo wszy pokonają socjalizm” powiedział kiedyś Lenin. Więc zadanie Chruszczowa było ważne, a odmowa Weigla była czymś czego władza sowiecka nie mogła darować.

Plakat informujący o tym, że Rosjanie powinni chronić siebie i innych przed wszami tyfusowymi, dokładnie myjąc się i piorąc swoje ubrania.

Łatwo było postawić Weiglowi fałszywy zarzut kolaboracji z Niemcami, bo szczepionka trafiała również na front wschodni – do Wehrmachtu. Są świadectwa mówiące o tym, że duża część trafiających tam produkcji (szarż) była sabotowana przez zespół Weigla. Weigl nie dostał więc Nobla mimo, że zgłoszono jego kandydaturę kilkadziesiąt razy. Najpierw przeszkodzili w tym Niemcy, bo nie chciał z nimi współpracować. Potem przeszkodzili Sowieci twierdząc, że współpracował z Niemcami.

Zbigniew Herbert, Stefan Banach, Michalina Wisłocka czy przeżyliby wojnę gdyby nie Weigl?

Szczepionka Weigla uratowała wielu ludzi również w innym sensie. Karmiciele wszy mogli liczyć na lepsze warunki życia w okupowanej Polsce. Był wśród nich poeta Herbert, matematyk Banach.

Karmicielką wszy była Basia w serialu „Polskie drogi”. W przenośni była nią bohaterka wiersza Jacka Kaczmarskiego „Nawiedzona”. Realnie strzykaczką była autorka „Sztuki kochania” Michalina Wisłocka.

Władysław Szpilman, którego historia przetrwania w Warszawie opisana została w filmie „Pianista”, twierdził, że Weigl był w getcie równie znany jak Hitler, ale z zupełnie innych powodów. Za ratowanie Żydów Weiglowi został wręczony Medal Sprawiedliwy Wśród Narodów Świata.

Papież Pius XI odznaczył go Orderem Świętego Grzegorza. Tak honorowani byli tylko wyjątkowi świeccy.

Skuteczniejsze od szczepionki Weigla okazały się w przypadku tyfusu plamistego: pokój, antybiotyki, higiena. Antybiotyki są nadużywane, a głód i wojna zaczynają wracać tam gdzie dawno ich nie było.

Wykorzystano fotografie ze stron:

Rudolf Weigl (lwow.com.pl)

MPH-8516 – Muzeum Narodowe Ziemi Przemyskiej – zbiory zwizualizowane (mnzp.pl)

Czy biotechnolodzy tworzą coś nowego, czy kradną naturze?

Piotr RieskeLeave a comment

Jak powiedział Picasso: „Dobrzy artyści kopiują, wielcy kradną.” Podobnie wyrażali się między innymi: Igor Stravinsky, T.S. Eliot czy Steve Jobs.

Te słowa nie są jednak pochwałą kradzieży, ale zachętą do pokory i szacunku wobec tych, którzy tworzyli coś wcześniej. Zachętą do przyznania, że coś stworzone wcześniej było co najmniej inspiracją dla kolejnych pokoleń artystów. Przykładem jest las Birnam z Makbeta Szekspira, który inspirował Tolkiena przy opisie ataku Entów (pasterzy drzew) na Isengard.

Czy biotechnolodzy kradną (plagiatują) w takim sensie? Podobnie, jak artyści obserwują efekty pracy innych artystów, również biotechnolodzy obserwują pracę innych biotechnologów. Pojęcie „patentów” w sztuce (poza muzyką) bywa trudne do zdefiniowania – nie patentuje się obrazów. W biotechnologii jest o patenty trochę łatwiej. Mimo to urzędy patentowe ze zmienną konsekwencją przyznają lub nie prawa patentowe (własności intelektualnej) kolejnym projektantom. Jednak biotechnolodzy i artyści „plagiatują” jeszcze inaczej. „Plagiatują” naturę, a ta nie pójdzie oczywiście do sądu. Okazuje się jednak, że ma ona swoich rzeczników w urzędach patentowych w kwestiach biotechnologicznych. Przez wiele lat w urzędach patentowych trwał wielki spór o to, na ile rozwiązania podpatrzone w naturze mogą być patentowane. Rzecznicy patentowi wyznaczyli pewne kryteria, po spełnieniu których patent zostanie przyznany. Natomiast, biorąc pod uwagę cytat z Picassa, wobec kogo czy czego taki „złodziej biotechnolog” powinien taki rodzaj szacunku okazać?

Przeciwciała, enzymy do testów PCR, plazmidy, wektory wirusowe, nagrodzony Noblem CRISPR, promotory, sekwencje nukleotydowe czy aminokwasowe i wiele innych „rzeczy”, „ukradli” wirusom i bakteriom (na końcu tekstu znajduje się glosariusz wyjaśniający używane terminy biotechnologiczne). Po co…? Wcześniej chociażby po to, by produkować białka terapeutyczne i diagnostyczne. Ostatnio wszystko to, czego trochę nakradli, składają jak klocki lego w zupełnie nowe twory terapeutyczne, nazywając to już nie biotechnologią, a biologią syntetyczną.

Plazmidy służą bakteriom do tworzenia np. białek antybiotykooporności. Biotechnolodzy zamienili te fragmenty DNA w plazmidach w transgeny do produkcji białek potrzebnych ludziom – chociażby do produkcji insuliny dla chorych na cukrzycę. Nie dość, że ukradli bakteriom pomysł, to jeszcze go wykorzystują do produkcji np. leków.

Polimerazowa reakcja łańcuchowa (PCR), która stała się powszechnie znana w czasie pandemii COVID-19, to również w pewnym sensie zasługa bakterii. Jedne z nich, aby żyć w gorących źródłach Yellowstone „wymyśliły” białka, w tym polimerazę, które są w stanie przetrwać w wysokich temperaturach, a to dzięki niej możliwe jest szybkie prowadzenie PCR. W czasie tej reakcji temperatura wielokrotnie osiąga ponad 90 stopni Celsjusza, a większość molekuł polimerazy nie może ulec denaturacji. Oczywiście biotechnolodzy – za pomocą plazmidów z transgenem – zmuszają zwykłe bakterie (głównie E.coli) do produkcji tej polimerazy. Kradną polimerazę z jednych bakterii, a inne zmuszają do niewolniczej produkcji.

Skąd się wzięła odwrotna transkryptaza potrzebna, aby przepisać RNA (wirusa takiego jak SARS-CoV-2) na DNA przed reakcją PCR? Również ona została „skradziona”, tym razem wirusom.

Technologia CRISPR, nagrodzona nagrodą Nobla w 2020 roku, służąca obecnie np. do naprawy uszkodzonych genów, wywodzi się z systemu bakteryjnego, którym bakterie zwalczają swoich wrogów, wirusy bakteryjne – bakteriofagi. Pierwsza terapia oparta o CRISPR do leczenia osób z chorobą genetyczną – chorobą sierpowatokrwinkową – została zarejestrowana przez FDA w 2023 roku. System, z którego wywodzi się CRISPR/Cas chroni bakterie przed ich wirusami – to „element układu odpornościowego bakterii”. Bakterie tworzą „biblioteki” fragmentów genomów fagowych, aby wtedy, kiedy któryś znowu zaatakuje, zniszczyć go. Tworzenie bibliotek fragmentów genomów fagowych w genomie bakteryjnym jest więc przez niektórych autorów określane mianem budowania pamięci immunologicznej. Natomiast biotechnolodzy wykorzystują CRISPR/Cas do naprawy genomu np. w ludzkich komórkach. Widać więc, że podpatrywanie natury miało miejsce, ale zastosowanie rozwiązania Cas9 z zaprojektowanym fragmentem RNA jest już zupełnie inne. Powstają kolejne metody edycji genomu, takie jak prime editing, w których podkrada się naturze coraz więcej. Nie wolno robić edycji genomu na poziomie komórek linii germinalnych czy komórek zarodkowych człowieka, ale wolno na poziomie komórek somatycznych (dojrzałych i multipotentnych macierzystych).

Rycina 1 Schemat odwzorowuje działanie systemu edycji genomu PE. Chimeryczne białko składa się ze zmutowanego Cas9 i odwrotnej transkryptazy. Mutacja Cas9 powoduje, że enzym rozcina tylko jedną nić dwuniciowego DNA. Odwrotna transkryptaza przepisuje sgRNA na DNA, które jest wykorzystywane przez system naprawy uszkodzeń DNA. Genom jest zmieniany zgodnie z instrukcją dostarczaną przez pegRNA (odmiana gRNA stosowana do edycji prime). Na podstawie ryciny z artykułu „Techniki edycji genomu jako narzędzie modyfikacji komórek układu odpornościowego” Alergologia Polska 2021 (za zgodą autorów Ewelina Stoczyńska-Fidelus, Piotr Rieske)

Biotechnolodzy równocześnie próbują wykorzystać również naturalnego wroga bakterii, jakim są bakteriofagi, po to, żeby bakterie zwalczać. Jest to szczególnie ważne wobec pojawiającej się antybiotykoodporności. Rozwiązanie takie zaczyna być stosowane w produkcji żywności, ponieważ stosowanie antybiotyków chociażby w uprawach roślin czy hodowli drobiu to jedna z głównych przyczyn pojawiania się antybiotykoodporności.

Jak widać, bardzo wiele systemów wykorzystywanych przez biotechnologów powstało w trakcie walki organizmów z ich patogenami. Co nie powinno dziwić, bo taka walka jest akceleratorem ewolucji, a zatem tworzenia coraz doskonalszych rozwiązań.

Nie jest to jednak jedyne źródło, z którego pozyskuje się narzędzia czy technologie.

Biotechnolodzy wykorzystują bakterie (np. Agrobacterium tumefaciens), aby tworzyć rośliny GMO. Normalnie bakterie te infekują rośliny i wprowadzają swoje geny, żeby pozyskiwać od roślin opiny.

Wektory wirusowe stosowane np. w terapii genowej to wykorzystanie ułomnych czynników infekcyjnych, które w formie kompletnej infekują np. komórki ludzi, a u biotechnologów infekują komórki, aby wprowadzić do nich to, co chcą w nich umieścić. Jeśli chcemy zastosować wspomniany wcześniej CRISPR/Cas, to także najczęściej wykorzystujemy wirusy jako wektory tego systemu. Jeśli chce się wprowadzić „transgen leczniczy”, to również tak to się odbywa.

Bakterie, aby walczyć z bakteriofagami, „wymyśliły” – podobnie (jak CRISPR/Cas) – enzymy restrykcyjne. Biotechnolodzy korzystają z nich notorycznie, aby tworzyć wektory do produkcji np. białek leczniczych. Paradoksalnie system, który miał chronić bakterie przed ingerencją w ich DNA, służy do zmieniania ich DNA plazmidowego.

Bakteriofagi posiadają natomiast specjalne rekombinazy, umożliwiające wprowadzanie ich genów do genomu bakterii. Biotechnolodzy zastąpili tym systemem fagowym enzymy restrykcyjne, aby skonstruować/wygenerować system gate way – bramkowania − i szybciej przenosić między plazmidami np. transgeny lecznicze.

Biotechnolodzy w ogóle bardzo często korzystają z rozwiązań powstających w trakcie ewolucji wirusów. Genomy wirusów są bardzo małe, gdyż od upakowania na małej przestrzeni wielu informacji zależy ich przetrwanie. Biotechnolodzy również muszą upakowywać dużo informacji na małej przestrzeni, co wynika z niuansów technicznych ich pracy.

Wirusy „wymyśliły” więc np. sekwencję IRES, która pozwala otrzymywać z jednego fragmentu mRNA coś, co u eukariotów jest kodowane przez kilka genów. Wirusy geny zastąpiły czymś, co nazywa się otwartymi ramkami odczytu. Nie ma potrzeby, żeby kontrolować pojawianie się białek wirusowych w tak skomplikowany sposób, jak np. w komórkach człowieka. Zazwyczaj wszystkie białka wirusowe mogą, a nawet powinny pojawiać się równocześnie, aby doszło do samoskładania wirionów. W przypadku komórek człowieka tak nie jest. Istnieje wąska specjalizacja. To między innymi dzięki temu, pomimo że w każdej komórce jednego człowieka jest w zasadzie ten sam genom, mamy ponad 200 rodzajów komórek.

Podobnie jak IRES, peptydy (sekwencje) F2A czy P2A pozwalają wirusom na tworzenie wielu białek z jednej cząsteczki mRNA. Biotechnolodzy „plagiatują” te rozwiązania, aby również otrzymywać kilka białek z jednego fragmentu RNA. W tym przypadku rybosom po zakończeniu translacji jednego białka przeskakuje niejako do translacji następnego. IRES pozwala przyłączać się rybosomom w kilku miejscach mRNA i inicjować translację.

Wirusy regulują transkrypcję (przepisywanie DNA na RNA) za pomocą bardzo małych fragmentów regulacyjnych i w ten sposób wymuszają produkcję swojego RNA w komórkach ssaków. Te małe elementy regulacyjne z wirusów SV-40 czy CMV również zostały wykorzystane przez biotechnologów.

Oczywiście nie wyczerpuje to wszystkich elementów, które są plagiatowane z organizmów żywych przez biotechnologów.

Ponadto nie wszystkie rozwiązania pochodzą ze świata patogenów.

Przeciwciała wykorzystywane np. w diagnostyce normalnie służą do zwalczania patogenów. Biotechnolodzy wytwarzają je do: testów onkologicznych, wirusowych (kupujemy je w aptece), a nawet do testów ciążowych. To rozwiązanie układu odpornościowego różnych zwierząt. Ostatnio plagiatują je np. od alpak, ale również od rekinów, gdyż te mają dość sprytne (bardzo małe) przeciwciała.

Szczepionki to również zaprzęgnięcie do działań człowieka naturalnego systemu odpornościowego. Do ich tworzenia wykorzystywane są plazmidy, wektory wirusowe itp., opisane wcześniej. W naturze cena nabywania odporności jest bardzo wysoka. Często jest to kalectwo, niekiedy śmierć członków społeczności.

Przeciwnowotworowa terapia CAR-T jest wspólnym dziełem natury, biotechnologów i immunologów. Polega na połączeniu odpowiedzi limfocytów T i limfocytów B. Skradziono więc układowi odpornościowemu dwa rozwiązania i stworzono ich funkcyjną chimerę przy okazji tworzenia chimerowego białka. Powstała komórka, która nie wymaga prezentowania antygenu na cząsteczkach HLA (MHC), ale rozpoznająca go bezpośrednio. Pozwala to uniknąć niektórych działań, komórek nowotworowych, których one dokonują, aby „zmylić” układ odpornościowy. Litera C w nazwie CAR-T pochodzi właśnie od chimerowy (ang. chimeric).

CAR-T to przykład nowego świata biotechnologii, czyli biologii syntetycznej. W tym świecie biotechnolodzy tworzą nowe byty np. komórkowe, ale również kradną istniejące w przyrodzie elementy regulatorowe, białka itp. Również białka używane do edycji (naprawiania) genów w ramach metod nowocześniejszych niż CRISPR, takich jak prime editing, to białka chimerowe. Podbieranie elementów ze świata przyrody to pierwszy etap. Kolejny − to tworzenie z nich nowych, nieistniejących w przyrodzie bytów, takich jak komórki. Układy te są na tyle skomplikowane, że zaczyna się je porównywać do układów scalonych. Jest to dość luźna analogia, ponieważ komórka ma inną organizację przestrzenną niż układ scalony, ale obrazuje złożoność zmian, które biologia syntetyczna oferuje.

Na czym więc bardzo często polega biotechnologia czy biologia syntetyczna? Polega na podpatrywaniu natury i wykorzystywaniu jej wynalazków w innych celach niż te, dla których natura je wytworzyła. Sposoby korzystania z tych wytworów stają się coraz bardziej wyrafinowane. Najczęściej korzysta się z tego, co powstało w ramach ewolucyjnego wyścigu zbrojeń między bakteriofagami, a bakteriami, czy między naszym układem odpornościowym, a patogenami.

Rycina 2 Opis CAR-T w glosariuszu. W skrócie: komórki CAR-T atakują komórki nowotworowe i prowadzą do ich śmierci. CAR-T otrzymuje się dzięki metodom inżynierii genetycznej. W tym celu wykorzystuje się rozwiązania opisane w tekście: wektory wirusowe, transgen, którego transkrypcja regulowana jest np. promotorem CMV itp. Zmodyfikowane na podstawie materiału z BPS Bioscience CAR-T Cell Therapy (bpsbioscience.com).

Glosariusz z wyjaśnieniami ( w celach popularyzacji)

PCR − łańcuchowa reakcja polimerazy, PCR (od ang. polymerase chain reaction)

Metoda powielania dwuniciowych fragmentów DNA. W trakcie reakcji odbywa się od 25 do 40 cykli, w czasie których dochodzi do kopiowania wybranego fragmentu DNA temperatura zmienia się od 45 do 95 stopni Celsjusza.

Odwrotna transkryptaza

Polimeraza DNA zależna od RNA, umożliwia syntezę nici DNA, wykorzystując jako matrycę RNA. Enzym ten w naturze kodowany jest w otwartych ramkach odczytu retrowirusów. Proces, w którym bierze udział ten enzym, nosi nazwę odwrotnej transkrypcji.

Metoda CRISPR/Cas (ang. Clustered Regularly−Interspaced Short Palindromic Repeats, pol. zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie, powtarzające się sekwencje palindromiczne)

Metoda ta pozwala na edycję genomu organizmu, który posiada odpowiedni system naprawy uszkodzeń DNA (Eukaryota). Mechanizm immunologiczny, z którego wywodzi się ta metoda: u bakterii odpowiedni RNA umożliwia niszczenie genomu fagów dzięki enzymom Cas. Enzymy Cas rozcinają DNA bakteriofagów rozpoznany przez to RNA. Biotechnolodzy wprowadzają transgen kodujący sgRNA, przypominający funkcyjnie RNA z bakteryjnego CRISRP razem z transgenem kodującym Cas (najczęściej Cas9), do komórek eukariotycznych. W tych komórkach, w przeciwieństwie do komórek prokariotycznych, może dochodzić do naprawy uszkodzeń DNA, powodowanych przez Cas9 naprowadzony przez sgRNA na odpowiednie miejsce DNA. sgRNA jest kodowany oddzielnym transgenem regulowanym przez promotor taki jak np. U6 (przyłącza on odpowiednią polimerazę). Sekwencja CRISPR w naturze zawiera fragmenty genomów bakteriofagów, które bakteria wcześniej zwalczyła. Dlatego CRISPR to część systemu ochrony przed bakteriofagami. Na tym przykładzie widać, jak bardzo biotechnolodzy zmieniają pierwotne zastosowanie jakiegoś rozwiązania działającego w naturze.

PE prime editing − zastosowanie edycji prime

Metoda wywodzi się z CRISPR/Cas. Wykorzystuje się w niej jednak białko chimerowe mutanta Cas9 (H840A) połączone z domeną odwrotnej transkryptazy. Powstało pięć (a nawet siedem, uwzględniając NPE i TPE) kolejnych odmian tej metody. Metoda pozwala na uniknięcie niektórych błędów pojawiających się w czasie edycji genomu metodą CRIPSR/Cas tzw. INDELS niechciane insercje, delecje.

Sekwencje 2A (F2A, P2A)

Sekwencje kodujące peptydy 2A pochodzą z genomów wirusowych. Umieszczenie ich pomiędzy sekwencjami DNA (potem RNA) kodującymi dwa różne białka powoduje, że rybosom w czasie translacji po ukończeniu syntezy pierwszego białka niejako przeskakuje do syntezy następnego białka. W ten sposób biotechnolodzy mogą umieścić w wektorach sekwencje kodujące więcej niż jedno białko − transgen(y)/otwarte ramki odczytu, których ekspresja jest regulowana przez jeden promotor.

IRES

Skrót pochodzi od ang. internal ribosome entry site. To element RNA pozwalający inicjować translację w sposób niezależny od czapeczki mRNA 5’. IRES pozwala rybosomom zacząć syntezę w kilku miejscach jednego fragmentu (jednej molekuły) mRNA. W przeciwieństwie do P2A, IRES umożliwia startowe przyłączenie rybosomu w miejscu, gdzie występuje sekwencja charakteryzująca ten fragment RNA. Peptyd 2A ujawnia swój efekt, kiedy dojdzie do translacji białka zakończonego tą sekwencją peptydową. Wtedy ten rybosom, który ten fragment zsyntetyzował, podejmie syntezę kolejnego białka dzięki temu, że molekuła RNA, na której się znajduje, zawiera sekwencję kodującą kolejny peptyd.

Promotor SV-40, promotor CMV

Rozpoczęcie transkrypcji (proces syntezy RNA na matrycy DNA) u ssaków jest precyzyjnie regulowane. Wirusy DNA wykorzystują krótkie sekwencje, aby ten proces uruchomić. Do tych fragmentów DNA przyłączają się czynniki transkrypcyjne, do których przyłącza się polimeraza RNA. Popularne wśród biotechnologów ze względu na niewielki rozmiar są fragmenty (sekwencje) pochodzące z wirusów SV-40 i CMV.

CAR-T

Skrót określający limfocyty T, do których metodami inżynierii genetycznej wprowadzono transgen kodujący białka CAR, ang. chimeric antigen receptor). Białko to składa się z kilku domen, które bez ingerencji człowieka należą do kilku białek. W typowym CAR jest to domena scFv (ang. single-chain variable fragment) i domeny należącej do białek, które w limfocytach T transdukują (przekazują) sygnał umożliwiający zabijanie np. komórek zainfekowanych przez wirusa (CD28, 4-1 BB, CD3z itp). Typowy scFv to fragment zmienny łańcucha lekkiego i ciężkiego konkretnego przeciwciała połączony odpowiednim peptydem/linkerem. Takie działanie pozwala komórkom CAR-T eliminować komórki nowotworowe, które wykazują ekspresję genu kodującego białko rozpoznawane przez domenę scFv. Same przeciwciała nie wykazują takiej skuteczności jak CAR-T. Analogicznie skrót CAR-M będzie oznaczał makrofagi, do których wprowadzono transgen kodujący białko CAR.

Transgen, gen, otwarta ramka odczytu (ORF)

Określenie transgen zostało zarezerwowane w tym tekście dla sekwencji kodujących umieszczanych w odpowiednich wektorach przez człowieka. Natomiast gen tutaj to fragment genomu kodujący białko czy RNA, który powstał w naturze. Autor zdaje sobie sprawę że gen bakteryjny w plazmidzie (nie chromosomie bakteryjnym) nie różni się zasadniczo od transgenu bakteryjnego. Zdecydowano się jednak na rozróżnienie gen vs. transgen, ponieważ większość fragmentów kodujących umieszczanych w wektorach np. wirusowych, a opisanych w tym tekście, odnosi się do genomu człowieka. W przypadku Eukaryota ekspresja genu jest regulowana za pomocą promotora, wzmacniaczy, wyciszaczy, a pierwotny transkrypt ulega splicingowi. Transgen takiego genu ma natomiast sztuczny względem oryginalnego promotor (patrz promotor CMV/SV40), co zmienia sposób regulacji jego ekspresji. Gen u eukariotów położony jest w konkretnym miejscu genomu, transgen tego genu wprowadzony do genomu ludzkiego za pomocą np. wektorów wirusowych zazwyczaj ma położenie przypadkowe. Te różnice powodują np., że edycja genomu (konkretnego genu) w celach terapeutycznych jest rozwiązaniem bardziej pożądanym niż tradycyjna terapia genowa oparta o transgen. Różnic między genem a transgenem jest więcej. Termin otwarta ramka odczytu (ang. open reading frame ORF), został tu użyty w odniesieniu do genomów wirusowych i transgenów. W przypadku genomu wirusa jedna molekuła mRNA dostarcza kilku otwartych ramek odczytu − fragment kwasu nukleinowego wirusa, na bazie którego powstaje jedna cząsteczka mRNA koduje kilka białek. W tekście użyto tych trzech określeń dla fragmentów kwasów nukleinowych kodujących głównie białka. Gen czy transgen nie musi jednak kodować białka. Jak wskazano, sgRNA używane w metodzie CRISPR, czy PE (pegRNA), jest również kodowane przez transgen. W wektorach przygotowywanych przez biologów również pojawiają się odcinki DNA kodujące mRNA dla kilku białek właśnie dzięki wykorzystaniu rozwiązań pochodzących z genomów wirusowych.