Maleńka bakteria i gigantyczne białko

Tytyna jak sprężyna

Oficjalnie największym znanym białkiem jest tytyna, pełniąca niesłychanie ważną rolę molekularnej „sprężynki” odpowiadającej za kurczliwość mięśni poprzecznie prążkowanych u kręgowców. Bez tytyny nie ruszylibyśmy ręką ani nogą i nie biłoby nasze serce. U innych zwierząt występują białka pokrewne i pełniące podobne funkcje, ale akurat u kręgowców tytyna rozciągnęła się wyjątkowo: jej molekuła ma ponad 1 μm (mikrometr) długości. Gen TTN, kodujący tytynę u człowieka, jest oczywiście odpowiednio olbrzymi. Składa się z rekordowej liczby 363 eksonów, czyli odcinków DNA kodującego, poprzedzielanych niekodującymi intronami. Po przepisaniu genu na RNA, czyli transkrypcji, introny zostają wycięte, a eksony sklejone w jedną całość. Proces ten nazywamy splicingiem; jego wynikiem jest nić informacyjnego RNA (mRNA) zawierająca pełny kod białka, które ma zostać zsyntetyzowane w procesie translacji.

Transkrypty niektórych genów mogą być składane w różny sposób, tworząc matryce do tworzenia różnych białek. Takie zjawisko nazywamy splicingiem alternatywnym. Może on polegać na pominięciu niektórych eksonów (to najczęstsza forma splicingu alternatywnego u zwierząt) albo na pozostawieniu któregoś z intronów. W ten sposób jeden gen może potencjalnie kodować wiele białek. Z właściwym splicingiem alternatywnym mamy do czynienia wtedy, kiedy wszystkie jego produkty są funkcjonalne. Trzeba go odróżnić od błędów splicingu, gdy wskutek niewłaściwego złożenia mRNA powstaje białko niefunkcjonalne lub wręcz upośledzające metabolizm komórki, przed czym oczywiście organizm stara się bronić.

Ryc. 1.

Tytyna składa się z dwustu kilkudziesięciu liniowo uszeregowanych domen, czyli niezależnie formowanych modułów funkcjonalnych. Niemal wszystkie z nich należą do dwóch typów – immunoglobuliny lub fibronektyny. Każdy z tych dwóch rodzajów występuje w liczbie ponad stu kopii. Tytyna wyewoluowała dzięki licznym duplikacjom (podwojeniom) pradawnego genu kodującego pierwotnie krótki ciąg domen. Większość domen nadal kodowana jest przez jeden ekson. Fakt ten sprzyja współistnieniu wielu wariantów tytyny powstających dzięki splicingowi alternatywnemu. Tworzone są one w sposób kontrolowany (czyli nie omyłkowo) i różnią się głównie długością – zależną od tego, które eksony i w jakiej liczbie są pomijane – i mechaniczną elastycznością, dlatego znajdują zastosowanie w różnych typach mięśni. Forma „kanoniczna” (podstawowa) ludzkiej tytyny zawiera 34 350 aminokwasów. Jej odpowiedniki u innych gatunków ssaków, na przykład u myszy, mogą być nawet nieco dłuższe. Gen TTN koduje jeszcze więcej, bo ponad 38 tys. aminokwasów, ale w każdym ze znanych wariantów białka część sekwencji kodujących zostaje pominięta.

Ryc. 2.

Tytyna jest zatem białkiem niezwykle długim, ale dość monotonnym – sekwencją naprzemiennie ułożonych, powtarzalnych modułów. Jej systematyczna nazwa chemiczna w języku angielskim ma prawie 190 tysięcy liter i potrzeba kilku godzin, żeby ją w całości odczytać na głos, nie jest to jednak lektura szczególnie fascynująca (a nazwa tytyna jest poręczniejsza). Ludzki gen TTN (eksony wraz z intronami) zajmuje odcinek o długości ponad 300 tysięcy par zasad na chromosomie 2. W każdym razie Księga Rekordów Guinnessa odnotowuje tytynę jako największe znane białko. Czy słusznie?

To zależy, jak interpretujemy słowo znane. Tytyna jest rekordzistką, jeśli chodzi o białka szczegółowo zbadane, figurujące w specjalistycznych bazach danych. Ale wiemy też, że z prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością istnieją białka jeszcze większe.

Mikroorganizmy i supergeny

O dziwo, na ich trop wpadli badacze zajmujący się jednymi z najmniejszych bakterii. Już wcześniej zauważono, że w kilku grupach bakterii, a także u niektórych archeowców (o tym, czym są archeowce, pisałem tutaj i tutaj) występują geny kodujące białka praktycznie równie wielkie jak tytyna. Na przykład jeden z genów bakterii Chlorobium chlorochromatii (należącej do typu Chlorobiota, czyli zielonych bakterii siarkowych) koduje białko złożone z 36 806 aminokwasów. Wydaje się jednak, że wielkie geny występują szczególnie często u bakterii z grupy nazwanej Omnitrophota. Dokładniej mówiąc, jest to typ Ca. (Candidatus) Omnitrophota. Tak oznacza się proponowane jednostki taksonomiczne dobrze scharakteryzowane, ale obejmujące bakterie niezbadane szczegółowo, bo niedające się wyizolować i hodować w laboratorium. Określa się je często jako „ciemną materię” mikroświata. Wiemy, że jest jej mnóstwo, znamy wyrywkowo niektórych jej przedstawicieli, ale ogólnie jest to nadal terra incognita – teren przyszłych odkryć.

Ryc. 3.

O Omnitrophota wiadomo dość dużo z badań metagenomowych (czyli z analiz materiału genetycznego wyodrębnianego z różnych nisz ekologicznych), ale dopiero niedawno udało się podejrzeć niektóre z nich pod mikroskopem i utrzymać w warunkach laboratoryjnych. Z tego, co wiemy, jest to grupa różnorodna i bogata w gatunki, występująca praktycznie wszędzie w niezbyt zasolonych środowiskach beztlenowych: w wodach hydrotermalnych gejzerów i kraterów wulkanicznych, w glebie wokół korzeni roślin, w wodach gruntowych, w mulistych osadach, bagnach, ściekach, a nawet w jeziorach ukrytych pod lodami Antarktydy. Okazy, które udało się zaobserwować bezpośrednio, mają wielkość 200–300 nm (0,2–0,3 μm), czyli są niezwykle miniaturowe nawet jak na bakterie. Zarówno z tych obserwacji, jak i z analizy ich genów, wynika, że są to bakterie drapieżne lub pasożytnicze, atakujące inne bakterie i archeowce, a być może nawiązujące z nimi również stosunki symbiotyczne.

Bakteria z tej grupy, Ca. Velamenicoccus archaeovorus, kiedy występuje w towarzystwie archeowca Methanosaeta sp. (jednego z najbardziej rozpowszechnionych mikroorganizmów naszej planety), wydziela wyjątkowo duże białko, złożone z 39 678 aminokwasów i zawierające kilkaset domen. Prawdopodobnie wiąże się ono ze ścianą komórkową ofiary, trawi ją i otwiera bakterii dostęp do cytoplazmy. Gen tego białka stanowi ok. 6% całego genomu V. archaeovorus.

Ryc. 4.

Co kryje ciemna materia

Być może właśnie padł kolejny rekord. Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, przeglądając genomy Omnitrophota w poszukiwaniu olbrzymich genów, trafili na gen kodujący sekwencję 85 804 aminokwasów. Tak szokująco wielkie białko byłoby ponad dwa razy większe od dotychczasowych rekordzistów, w tym tytyny. Jaką funkcję może pełnić? Nie znaleziono samego białka ani jego fragmentów, tylko odpowiadające mu kodujące DNA. Co można z niego wywnioskować?

Dysponujemy obecnie narzędziem sztucznej inteligencji, rozwijanym i doskonalonym przez Google DeepMind – AlphaFold. Jest to program korzystający z samouczących się sieci neuronowych, przewidujący trójwymiarową strukturę białka na podstawie jego sekwencji aminokwasowej. Niestety AlphaFold, imponująco skuteczny w przypadku białek niewielkich albo średniej wielkości, radzi sobie tym gorzej, im dłuższą sekwencję musi zanalizować. Dla białek złożonych z kilkudziesięciu tysięcy aminokwasów nie dałby w ogóle sensownych wyników. Dlatego zastosowano pomysłową sztuczkę: podzielono gen na odcinki o długości około 1000 par zasad, częściowo nakładające się na siebie, zrekonstruowano odpowiadające im fragmenty białka za pomocą AlphaFold, po czym spróbowano złożyć je w spójną całość. Powstał obraz białka o wielu domenach, które mogłyby wiązać się ze ścianą komórkową, zawierającego także fragmenty bardziej zagadkowe, jak osobliwa struktura przypominającą rurkę, utworzona przez symetrycznie skręcone helisy białka.

Być może jest to kolejne olbrzymie białko używane przez nanobakterie jako broń myśliwska, nie wiemy jednak na pewno, czy produktem genu jest pojedyncza molekuła. Być może już w trakcie translacji syntetyzowana sekwencja jest cięta na kilka białek pełniących różne funkcje. Ani domniemane białko, ani produkująca je bakteria nie zostały na razie zaobserwowane bezpośrednio, odkrycie wymaga więc potwierdzenia innymi metodami. Wyniki zostały upublicznione w repozytorium bioRχiv, ale oczekują jeszcze na recenzje i publikację w ostatecznej formie. Trzeba więc zachować ostrożną rezerwę, ale jednocześnie podkreślić, że białka zbudowane z ponad 30 tysięcy aminokwasów to w świecie bakterii nic niezwykłego. Prawdziwych rekordzistów trzeba więc zapewne szukać właśnie tam.

Lektura uzupełniająca

Tytyna, największe ludzkie białko: https://pdb101.rcsb.org/motm/185.
Forma, funkcje i filogeneza tytyny: Linstedt & Nishikawa 2017.
Co wiemy o Ca. Omnitrophota: Seymour et al. 2023.
Wstępne doniesienie o genie-gigancie: Jacob West-Roberts et al. 2023.
Omówienie na łamach Nature: https://www.nature.com/articles/d41586-023-03937-z.

Opisy ilustracji

Ryc 1. Model (JSmol) fragmentu cząsteczki tytyny: sześć domen białkowych (spośród 244) połączonych ruchomymi „zawiasami″. Źródło: Protein Data Bank (domena publiczna).
Ryc 2. Tytyna (kolor żółty) tworząca z kilkoma innymi białkami sarkomery (jednostki funkcjonalne mięśnia poprzecznie prążkowanego), pokazane w fazie rozkurczu i skurczu. Źródło: David Goodsell 2015/Protein Data Bank (domena publiczna).
Ryc. 3. Gorące źródło Obsidian Pool w Parku Narodowym Yellowstone (Wyoming, USA), w którym po raz pierwszy odkryto DNA bakterii z proponowanego typu Omnitrophota (obok nadzwyczajnej różnorodności archeowców). Foto: Bob Lindstrom 1997. Źródło: Wikipedia (domena publiczna).
Ryc 4. Archeowiec Methanosaeta sp. (podłużne komórki tworzące włókniste kolonie, A) atakowany przez Ca. Velamenicoccus archaeovorus (małe okrągłe komórki, D). Niektóre komórki archeowca (B, C) są uszkodzone i martwe. Foto: Erhard Rhiel and Jens Harder/Institute of Chemistry and Biology of the Sea and Max Planck Institute for Marine Microbiology. Źródło: Predatory Bacteria (fair use).

Mikroorganizmy jako broń biologiczna

Patogeny od dawna były wykorzystywane jako broń biologiczna, w czasach, kiedy nawet nie wiedziano o ich istnieniu. Rozwój nauki spowodował bardziej świadome i ukierunkowane działania bioterrorystów. I o tym jest ta historia.

Ale najpierw, co nazywamy bronią biologiczną. Jest to broń masowego rażenia, która zawiera patogenne mikroorganizmy lub toksyny pochodzenia biologicznego, np. (botulina, rycyna). Zamiarem jej użycia jest:

  • wywołanie epidemii o wysokiej śmiertelności,
  • wywołanie epidemii chorób, które mimo niewielkiej śmiertelności doprowadzą do znacznych strat społecznych i ekonomicznych,
  • wywołanie paniki społecznej,
  • powodowanie paraliżu ekonomicznego kraju lub regionu.
  1. Trochę historii z wykorzystania broni biologicznej.

Bojowe pszczoły w II w. p.n.e. – w Chinach rzucano koszyki z pszczołami na wojska przeciwnika. Z kolei w roku 190 r. p.n.e., Eurymedon wrzucał jadowite węże na okręty przeciwnika (Hannibala). Podczas oblężenia Kaffy (obecnie Teodozja na Krymie) w roku 1346 Mongołowie przerzucali do miasta ciała zmarłych na dżumę. W 1495 r. hiszpańscy żołnierze zaangażowani w walkę na południu Włoch dodawali krew zakażonych trądem ludzi do butelek z winem, które następnie sprzedawali Włochom.

Kazimierz Siemienowicz herbu Ostoja (1600-1651) to genialny polski artylerzysta z czasów Wazów (Ryc. 1) i autor słynnego dzieła Artis magnae artilleriae pars prima. To on w roku 1650 zaproponował wykorzystanie artylerii jako nośnika pocisków (kule gliniane) napełnionych śliną wściekłych psów (Ryc. 2). Nie wiedział jednak wówczas, że aby zakazić się wirusem wścieklizny, musi się on dostać bezpośrednio do organizmu, np. przez ugryzienie chorego zwierzęcia. Szatański pomysł, który nie został zrealizowany (ciekawa jestem, jak pobierano by tę ślinę od wściekłych psów?).

Ospa prawdziwa niejednokrotnie decydowała o losie bitew i zmieniała bieg historii. Niech przypomnę losy Azteków. Ale świadome i celowe użycie tego wirusa po raz pierwszy miało miejsce podczas wojny francusko-angielskiej o terytoria północnoamerykańskie (1763 r.) (był to zresztą pierwszy ever przykład – i to skuteczny – użycia wirusa jako broni biologicznej) Sir Jeffery Amherst (Ryc. 3), głównodowodzący sił brytyjskich w Ameryce północnej, polecił, aby wrogim szczepom indiańskim dostarczyć koce, które były używane przez chorych na ospę (Ryc. 4). W związku z tym rozkazem, pułkownik Henry Bouquet, oficer brytyjski odpowiedzialny za front w Pensylwanii napisał: „Będę się starał zakazić Indian przez koce, które wpadną w ich ręce. Jednocześnie będę uważał, aby nie zakazić się samemu”. Kapitan Bouquet zanotował w swym dzienniku, że dał wodzom wrogich szczepów indiańskich dwa koce i chustkę do nosa, używane w garnizonowym szpitalu dla chorych na ospę w nadziei, że „odniesie to oczekiwany skutek”.

Okres największego rozwoju broni biologicznej przypada na czas II Wojny Światowej (największymi jej producentami były Japonia, USA, Wielka Brytania, ZSRR) i okres powojenny (głównie ZSRR).

2. Zbrodnicza Jednostka 731

To cesarz Hirohito (Ryc. 5) w roku 1936 wydał rozkaz stworzenia jednostki 731. Nie nadano jej oficjalnego numeru i zwykle nazywano ją Departamentem Prewencji Epidemiologicznej i Oczyszczania Wody Armii Kwantuńskiej. W rzeczywistości, pod dowództwem gen. Shiro Ishii (Imperial Japanese Army) (świetnie wykształconego młodego lekarza) (Ryc. 6) prowadziła ona zakrojone na szeroką skalę badania nad opracowywaniem nowych rodzajów broni biologicznej, sposobów jej przenoszenia i rozpościerania na dużym terenie.

Eksperymenty przeprowadzano na jeńcach chińskich, radzieckich i koreańskich utrzymując ich  w dobrym stanie fizycznym (w przeciwieństwie do nazistów). Wykonywano sekcje bez narkozy, wystawiano na działanie silnego mrozu, zakażano wirusami i bakteriami. Na jeńcach badano sposób zakażania groźnym wirusem Hantaan, poprzez wcieranie w ich skórę odchodów gryzoni (to one są rezerwuarem tego wirusa). Wirusy podawano też w zastrzykach i doustnie w różnych dawkach, by sprawdzić, jaka jest minimalna skuteczna dawka potrzebna do zabicia człowieka (Ryc. 7 i 8).

W eksperymentach na większą skalę użyto ceramicznych bomb (Ryc. 9 i 10), zawierających zakażone dżumą pchły zmieszane z piaskiem. Oto jeden z eksperymentów – w niewielkim pomieszczeniu zajmowanym przez dziesięciu więźniów, ośmiu zostało pogryzionych przez zakażone pchły. Z tych ośmiu zakażonych zmarło sześć osób.

W obozie zajmującym 6 km2 przetestowano na ludziach niemal wszystkie choroby zakaźne znane ludzkości. Bomb ceramicznych używano też do zakażania wąglikiem na zajętych terenach – ginęli dorośli, dzieci i niemowlęta.

Ryc. 9. Sam gen. Shiro Ishii zaprojektował ceramiczną bombę z ładunkiem biologicznym [7].
Ryc. 10. A to efekt jego pracy – wykorzystywana w terenie ceramiczna bomba biologiczna [8].

Shiro Ishii w 1945 r. roku przeszedł na stronę USA i po roku 1954 roku został szefem koncernu faramceutycznego. Ten człowiek, nazywany “drugim Mengele”, nigdy nie został ukarany za zbrodnie wojenne.

3. Bardziej współczesne przykłady ujawnionych ataków bioterrorystycznych.

  • 1972 r. – „The Fasist Order of Rising Sun” (USA) użyła od 30 do 40 kg bakterii duru brzusznego Salmonella typhimurium do skażenia wodociągów w Chicago i St. Louis.
  • 1984 r. – sekta „Rajneesh Puram” (Dallas): zakażenie sałatek w barach bakterią duru brzusznego Salmonella typhimurium (751 zachorowań, koszt ataku ok. 100 dolarów).
  • W czerwcu 1993 roku członkowie japońskiego kultu Aum Shinrikyo („Najwyższa Prawda”) spryskali bakterią duru brzusznego budynek w Tokio; na szczęście popełnili błąd i użyli szczepu nieszkodliwego dla ludzi.
  • 1995 r. – ta sama sekta: trzy nieskuteczne próby rozproszenia bakterii wąglika i toksyny botulinowej, zgromadzenie środków do produkcji aerozoli biologicznych, próby pozyskania wirusa Ebola, później atak chemiczny sarinem w metrze tokijskimi i jokohamskim (12 ofiar śmiertelnych). Siedmiu członków sekty wraz z jej liderem Shoko Asahara zostało osądzonych i zgładzonych w roku 2018.
  • 1997 r. – grupa „Counter Holocaust Lobbyist of Hitler”, (Waszyngton, DC): podrzucenie płytek Petriego oznaczonych nazwami zarazków dżumy i wąglika. Był to „fałszywy alarm” – koszt poniżej 1 dolara, ale efekt został osiągnięty – ewakuacja i kwarantanna kilkuset ludzi, odkażanie przechodniów, wysokie koszty identyfikacji mikrobiologicznej.

4. Ospa prawdziwa

W roku 1980 Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) ogłosiła eradykację (eliminację) ospy prawdziwej (Ryc. 11 i 12). W związku z tym szczepienia przeciwko tej chorobie zostały całkowicie wycofane z kalendarza szczepień ochronnych. Tak więc ludność świata można obecnie uważać za nieodporną wobec smallpox. Czy wobec tego na świecie rzeczywiście nie ma tego wirusa? Oficjalnie został on zdeponowany w dwóch referencyjnych laboratoriach WHO: Atlancie i Moskwie. Oficjalnie.

Czy trudno jest odtworzyć tego wirusa? Wcale nie. Wystarczy zdobyć próbkę biologiczną i zsekwencjonować materiał genetyczny wirusa. Na przykład jak to zrobili autorzy pracy “Variola virus genome sequenced from an eighteenth-century museum specimen supports the recent origin of smallpox” opublikowanej w roku 2020 [9].

Uwolnienie wirusa ospy prawdziwej może przerodzić się w katastrofalną globalną epidemię, jeśli nie zostaną wdrożone skuteczne środki kontroli. Ospa została uznana przez Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom Zakaźnym (Centers for Disease Control and Prevention, CDC) za czynnik “kategorii A”, co oznacza, że nadano jej wysoki priorytet ze względu na potencjalne, śmiertelne zagrożenie dla bezpieczeństwa zdrowia publicznego, a nawet narodowego.

W dawnych planach militarnych ospa prawdziwa była rozważana dla wywołania tzw. „last epidemy” – ataku biologicznego po ataku nuklearnym. Zastosowanie tego wirusa w bioterroryzmie może mieć swoje zalety, ale też wady.

Zalety wykorzystania wirusa ospy prawdziwej jako broni biologicznej:

  • wysoka zakaźność (ok. 100 cząstek wirusa wywołuje chorobę)
  • rosnąca podatność populacji (u nieszczepionych osób podatność wynosi 100%)
  • wysoka śmiertelność (30%)
  • skuteczna transmisja (kropelkowa – każdy chory stanowi źródło zakażenia 10-20 osób, pośrednia – przedmioty i pościel)
  • stabilność wirusa w postaci areozolu i proszku (1 gram wirusa w formie proszku może zainfekować 100 osób)
  • wywołuje panikę

Wady wykorzystania wirusa ospy prawdziwej jako broni biologicznej:

  • wysokie prawdopodobieństwo wymknięcia się epidemii spod kontroli
  • trudność w uzyskaniu wirusa (są tylko dwa referencyjne laboratoria – Atlanta i Moskwa), jednak przy odpowiednich funduszach, zapleczu i wykwalifikowanej kadrze możliwe jest odtworzenie wirusa w każdym miejscu na świecie (tajnym oczywiście).

5. Wirusy gorączek krwotocznych (hemorrhagic fever viruses, HFV)

Ktokolwiek oglądał film z Dustinem Hoffmanem „Epidemia” może sobie wyobrazić jak działają wirusy gorączek krwotocznych w terenie (Ryc. 13 i 14).

Broń rozprzestrzeniająca te wirusy może spowodować wybuch niezróżnicowanej choroby przebiegającej z gorączką od 2 do 21 dni później, związanej z objawami klinicznymi jak wysypka, objawy krwotoczne i wstrząs prowadzący do zgonu. Sposób przenoszenia i przebieg kliniczny będą się różnić w zależności od konkretnego patogenu (wirus Ebola, Marburg, Lassa, hantawirusy). Rozpoznanie może być opóźnione, biorąc pod uwagę nieznajomość tych chorób przez ogół lekarzy, niejednorodny obraz kliniczny oraz brak powszechnie dostępnych testów diagnostycznych. Z wyjątkiem wirusa Ebola nie ma licencjonowanych szczepionek do profilaktyki HFV.

Jakie są zalety i wady wirusów gorączek krwotocznych w wykorzystaniu ich jako broni biologicznej?

Zalety:

  • wysoka śmiertelność i dynamika epidemii
  • aspekt psychologiczny i wzbudzenie paniki

Wady:

  • trudności w pozyskaniu wirusa. Podejmowano próby wykradzenia próbek biologicznych z laboratoriów lub pobieranie ich bezpośrednio od zakażonych. Jednak ta druga możliwość jest skrajnie niebezpieczna dla osób chcących pozyskać wirusa. Bardzo trudne jest też izolowanie wirusa Ebola w naturalnym środowisku – jego rezerwuarem są owocożerne nietoperze. Wirusa nie przenoszą też komary, jak malarię czy dengę. Do zakażenia konieczny jest bliski kontakt z osobą chorą – z jej płynami ustrojowymi, wydzielinami i wydalinami (jak krew, kał, mocz ślina czy nasienie)
  • trudności w zabezpieczeniu sił własnych. Wirus gorączek krwotocznych są bardzo zakaźne. Ich hodowla w laboratorium byłaby wysoce niebezpieczna dla personelu, musiałaby być prowadzona przy pełnym zabezpieczeniu i z niesłychaną ostrożnością. To wymagałoby ogromnej logistyki. Dlatego ryzyko wykorzystania HFV jako czynnika bioterrorystycznego jest raczej małe. Być może z wyjątkiem wirusa Ebola, przeciwko któremu jest już dostępna szczepionka.

6. Związek Radziecki miał najbardziej rozbudowany program BW (Biological Weapon) na świecie

Związek Radziecki zaczął opracowywać broń biologiczną w latach dwudziestych XX wieku. Pierwsze próby stworzenia biologicznej broni opierały się na dość prymitywnych metodach: zwierzęta zostawały zakażone (np. wąglikiem), a kiedy rozwinęły się objawy kliniczne były zabijane, suszone i mielone na proszek.

W latach 80. w Związku Radzieckim badano zupełnie nową klasę BW – drobnoustroje modyfikowane genetycznie, np. antybiotykooporne szczepy Yersinia pestis (dżuma), tularemii, nosacizny i właśnie Bacillus anthracis (wąglik). W roku 1979 w ogromnym laboratorium w Swierdłowsku doszło do awarii filtrów – do atmosfery wydostało się wówczas 10 g zarodników laseczek wąglika. Napędzana powolnym wiatrem (na szczęście) chmura zarodników dryfowała na południowy wschód, pozostawiając 50-kilometrowy ślad chorób i śmierci wśród ludzi i zwierząt (Ryc. 17 i 18). Co najmniej 68 osób straciło życie, co czyni tę epidemię najbardziej śmiercionośną ludzką epidemią wąglika wziewnego w historii.

Po uwolnieniu wąglika, powiedzmy, na zatłoczonym stadionie sportowym lub w centrum miasta, dziesiątki tysięcy osób może zostać narażonych, a wielu zachoruje, zanim urzędnicy zdadzą sobie sprawę, co się stało. W jednym z badań, opublikowanym w 2006 roku, oszacowano, że rozprzestrzenienie zaledwie 1 kilograma zarodników wąglika w Waszyngtonie wystarczyłoby do zakażenia od 4 000 do 50 000 ludzi. Gdyby w ciągu kilku dni dostępnych było zbyt mało antybiotyków lub gdyby drobnoustroje były oporne, tysiące ludzi mogłoby umrzeć.

Do skażenia 100 km2 terenu z 50% śmiertelnością zamieszkujących tam ludzi potrzeba kilku, do kilkunastu ton toksyn (np. takich jak rycyna) lub związków chemicznych, ale na przykład wąglika, tylko kilka kilogramów. Pentagon szacuje, że 100 kg wąglika rozsianych pod wiatr na takiej powierzchni może spowodować śmierć 3 milionów ludzi, oczywiście przy odpowiedniej gęstości zaludnienia. Nie jest już tajemnicą, że w latach 90. USA robiły symulacje na wypadek zagrożenia biologicznego, po których wielkie amerykańskie miasta stały się poligonami do badania skutków działania broni biologicznej (Ryc. 19). Ich mieszkańcy byli zupełnie nieświadomi tego faktu. Nieszkodliwe bakterie, rozpylano nad metropoliami i obserwowano ich rozprzestrzenianie, co pozwalało przewidywać skutki prawdziwych ataków.

Ryc. 19. Rozprzestrzenianie nad Waszyngtonem nieszkodliwych bakterii (1996) [opracowanie własne].

Wracam do Związku Radzieckiego – teraz opowiem o dr. Kenie Alibeku (Kanatjan Alibekow, ur. w Kazachstanie) (Ryc. 20). Lekarz wojskowy, oficer Armii Czerwonej, były dyrektor zakładu produkcji wąglika w Świerdłowsku, z-ca dyrektora Soviet Biopreparat (zatrudnionych 30 tys. pracowników) z laboratorium Vector zlokalizowanym w lasach nieopodal Nowosybirska na Syberii, które zajmowało się wytwarzaniem broni biologicznej.

Ryc. 20. Ken Alibek [1].

Ken Alibek powiedział w wywiadzie dla Jonathana B. Tuckera (1999 r.), iż ZSRR w latach 80. był coraz bliższy opracowania tak zwanej „absolutnej” broni biologicznej. Jeden ze szczepów wąglika (nr 836) był wyjątkowo zjadliwy, stabilny w postaci aerozolu i trwały w środowisku. Alibek porównał ten szczep z innymi szczepami wąglika pozyskanymi z całego świata – nie było nic bardziej zabójczego.

W roku 1989 w laboratorium Vector zaproponowano nową listę patogenów. Znalazły się tam nosacizna, tularemia i wirus VEE (końskie zapalenie mózgu) jako broń operacyjna – są to patogeny ukierunkowane głównie na zwierzęta. Dla ludzi zaproponowano wirusa Marburg, ospę i dżumę. W trakcie opracowywania były nowe zabójcze mikroorganizmy – wirus Lassa, Ebola, Machupo, wirusy powodujące boliwijską oraz argentyńską gorączkę krwotoczną, jak również rosyjskie wiosenno-letnie zapalenie mózgu.

Ospa i dżuma miałyby zostać użyte w tzw. wojnie totalnej. Proszę sobie wyobrazić, że w pewnym momencie laboratorium dysponowało 20 tonami wirusa ospy prawdziwej w postaci płynnej. Jednak dla patogenów powodujących ospę i dżumę istniał wymóg ciągłej produkcji, ponieważ nie można było przechowywać środka w postaci płynnej przez wystarczająco długi czas — płynna ospa miała okres przydatności „do spożycia” tylko od 6 do 12 miesięcy.

Czy ZSRR wykorzystał kiedykolwiek swoje biologiczne zasoby? Alibek powiedział, że Związek Radziecki użył nosacizny (bakteria Pseudomonas mallei) jako broni biologicznej przeciwko mudżahedinom w odległych miejscach w Afganistanie w roku 1982. Nosacizna jest śmiertelna dla koni, zaś u ludzi powoduje ostre i przewlekłe infekcje układu oddechowego, atakuje też skórę i tkanki podskórne. Wywiad USA potwierdził tajemnicze przypadki choroby w owym czasie w Afganistanie.

W swojej książce „Biohazard” Ken Alibek opisuje badania nad stworzeniem zupełnie nowego wirusa będącego połączeniem wirusa ospy prawdziwej i Ebola (tzw. Ebolapox) z najbardziej pożądanymi cechami broni biologicznej – wysoka śmiertelność w połączeniu z efektywnym rozprzestrzenianiem. Ebolapox może wywoływać tzw. czarną ospę (ospa krwotoczna) o 100% śmiertelności. Groźnymi wirusami, zawłaszcza po modyfikacjach genetycznych mogłyby być wirusy Hantaan, Nipah czy żółta febra.

W roku 1992 Ken Alibek wyemigrował/uciekł do USA, gdzie w 2006 r. stworzył nową farmaceutyczną firmę produkcyjną, MaxWell Biocorporation pełniąc funkcję jej dyrektora naczelnego i prezesa. W 2010 roku Alibek został zaproszony do rozpoczęcia pracy w Kazachstanie jako kierownik Katedry Chemii i Biologii w Szkole Naukowo-Technicznej Uniwersytetu Nazarbajewa w Astanie, gdzie zajmował się opracowywaniem leków przeciwnowotworowych. W 2011 r. otrzymał nagrodę Wicepremiera za wkład w rozwój szkolnictwa w Kazachstanie. Obecnie kontynuuje pracę na stanowisku profesora medycyny.

7. Dla równowagi – program broni biologicznej USA

W USA oficjalnie zainicjowano program broni biologicznej za prezydenta Franklina D. Roosevelta w roku 1943. W ciągu 27 lat trwania programu zajmowano się patogenami powodującymi takie choroby, jak wąglik, tularemia, gorączka Q, brucelloza, wenezuelskie zapalenie mózgu, a także pracowano z toksynami, np. botuliną i enterotoksyną gronkowcową.

Zaraz po II Wojnie Światowej oraz w okresie Zimnej Wojny program broni biologicznej Stanów Zjednoczonych rozwinął się w skuteczny, oparty na wojsku program badawczy i produkcyjny, objęty głęboką tajemnicą. W latach 1952–1954 Korpus Chemiczny utrzymywał ośrodek badań i rozwoju broni biologicznej w Fort Terry w stanie Nowy Jork, gdzie skupiano się na badaniach i rozwoju broni biologicznej głównie przeciw zwierzętom (zbadano ok. 12 patogenów). Siły powietrzne USA znacznie rozszerzyły swoje programy, zwłaszcza w zakresie systemów przenoszenia broni biologicznej.

Opinia publiczna w USA nie była świadoma trwających badań, zwłaszcza eksperymentów środowiskowych i plenerowych. Jeden z bardziej kontrowersyjnych eksperymentów przeprowadzono w 1951 r., kiedy nieproporcjonalnie duża liczba Afroamerykanów została narażona na działanie grzyba Aspergillus fumigatus, aby sprawdzić, czy są bardziej podatni na infekcję. Niektórzy naukowcy uważali, że taka wiedza pomoże im przygotować obronę przed bardziej śmiercionośną formą grzyba. Innym przykładem podobnych eksperymentów na ludziach był program badań medycznych w zakresie obrony biologicznej, Operacja Whitecoat. Ten dziesięcioletni eksperyment na „ochotnikach” Adwentystów Dnia Siódmego naraził ich na tularemię poprzez wdychanie aerozoli (w następstwie leczono ich antybiotykami). Celem eksperymentu było zaprojektowanie ładunku z bakteriami dla bomb do ataków na ludność cywilną.

Ale informacje o podobnych próbach zaczęły „przeciekać” na zewnątrz. Do tego wojna w Wietnamie zwróciła uwagę opinii publicznej na amerykański program broni biologicznej. Wszystko to spotkało się z ogromną krytyką społeczeństwa, w odpowiedzi na którą prezydent Nixon ogłosił, że Stany Zjednoczone jednostronnie wyrzekają się swojego programu wojny biologicznej, ostatecznie podpisując Konwencję o zakazie broni biologicznej i toksycznej w 1972 roku.

8. Co przyniesie przyszłość?

Biologia molekularna i inżynieria genetyczna mogą dostarczyć niezwykle skutecznych narzędzi nie tylko do modyfikowania patogenów, ale także do ich tworzenia. Problemem jest możliwość i skuteczność zabezpieczenia sił własnych przed owymi wirusami. Czy można skonstruować broń biologiczną pod konkretny DNA? Czy tematy filmów science fiction staną się rzeczywistością? Mam nadzieję, że nie.

Źródła

  1. Zdjęcie – Wikipedia
  2. https://polona.pl/preview/1575e8d6-06a6-4719-b1dd-2980039eb1a7
  3. Michael B.A. Oldstone „Wirusy, plagi i dzieje ludzkości” Prószyński i S-ka, 2002.
  4. https://www.umass.edu/legal/derrico/amherst/lord_jeff.html
  5. Gold Hal “Jednostka 731” 2015.
  6. https://china-underground.com/2012/10/17/35-rare-images-of-the-infamous-japanese-experiment-unit-731-in-china/
  7. https://www.pacificatrocities.org/dutiesofunit731.html
  8. https://people.bu.edu/wwildman/WeirdWildWeb/courses/thth/projects/thth_projects_2003_parkeun.htm
  9. „Variola virus genome sequenced from an eighteenth-century museum specimen supports the recent origin of smallpox” 2020, Philos Trans R Soc London B Biol Sci, 375(1812): 20190572. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7702794/
  10. https://www.ecdc.europa.eu/en/smallpox
  11. „Hemorrhagic fever viruses as biological weapons: medical and public health management” JAMA 2002, 287(18):2391-405, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11988060/
  12. https://www.filmweb.pl/film/Epidemia-1995-5432
  13. https://www.doccheck.com/en/detail/photos/9237-hemorrhagic-fever-ebola-ethiopia
  14. „Sverdlovsk revisited: Modeling human inhalation anthrax” Proc Natl Acad Sci USA 2006, 103(20): 7589–7594. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1564296/
  15. „BIOLOGICAL WEAPONS IN THE FORMER SOVIET UNION: AN INTERVIEW WITH DR. KENNETH ALIBEK” 1999, https://www.nonproliferation.org/wp-content/uploads/npr/alibek63.pdf?fbclid=IwAR28u0s0hHt7Bj3HYQKSCvv3ISpfGEhzL1bbc-9aZr9caQPPWLBvTUrdvZs
  16. „The Sverdlovsk Anthrax Outbreak of 1979” Science 1994, https://dmg5c1valy4me.cloudfront.net/wp-content/uploads/2020/04/15203746/2885382.pdf
  17. „Chapter 19 – The U.S. Biological Warfare and Biological Defense Programs” https://www.globalsecurity.org/wmd/library/report/1997/cwbw/Ch19.pdf
  18. „Scientists and the history of biological weapons” EMBO Reports 2006, 7:S45-S49, https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/sj.embor.7400689