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microbiologia

Virus, cattive notizie avvolte in una proteina

di Monica Vaccaretti

Virus, dal latino veleno. È descritto come un'entità biologica elementare presente in tutti gli ecosistemi della Terra, considerata in assoluto la più abbondante in natura. Si specifica che non si tratta tuttavia di un essere vivente perché non respira, non si muove, non produce energia, non cresce nemmeno in un terreno di coltura e non si divide, non reagisce all'ambiente. Il virus è metabolicamente inerte, secondo la terminologia scientifica. Poiché può soltanto riprodursi e adattarsi all'ospite, il virus è considerato un parassita intracellulare obbligato o una forma di vita ibrida tra il vivente e il non vivente: è una particella infettiva che infetta tutte le forme di vita e si replica esclusivamente all'interno delle cellule degli organismi viventi in cui penetra.

Com'è fatto un virus

Nella sua forma isolata, detta virione - ossia quando non si trova dentro una cellula infetta - il virus è una particella, indipendente e inattiva, di materiale biologico estremamente piccola con dimensioni misurate in nanometri. Mediamente un virus è cento volte più piccolo della dimensione media di un batterio e di una cellula, talvolta è così minuscolo da non essere visibile nemmeno al microscopio ottico ma soltanto a quello elettronico.

La sua misura varia dai 20 ai 300 nanometri, miliardesimi di metro. Infinitamente piccolo, eppur così potente. Affascina per la sua invisibilità, la sua storia che ha da sempre accompagnato l'umanità, le descrizioni scientifiche che hanno portato alla sua scoperta, nelle sue infinite manifestazioni e alla sua definizione precisa, dopo secoli di ricerche. Fa paura per la sua convivenza con noi e la sua virulenza e capacità di farci ammalare e portare anche alla morte.

Tra l'uomo e il virus è in corso da sempre una battaglia per la sopravvivenza reciproca, talvolta è guerra aperta, talvolta una tregua. A volte una convivenza pacifica o che comunque non fa troppo male. Dipende. Da che virus si incontra. Ad ogni virus l'uomo ha dato un nome, generalmente quello dell'uomo che per primo lo ha scoperto in un altro essere umano che ne veniva colpito, nel tentativo di curarlo e salvarlo. Di un virus è interessante persino la sua nomenclatura, se non fosse così terribile la sua azione patogenica.

La scienza ci dice che un virus è composto da acido nucleico - un filamento di DNA o RNA - racchiuso in un involucro proteico detto capside, che contiene l'informazione genetica necessaria per la sua moltiplicazione che sfrutta il processo metabolico della cellula ospite. Le proteine sono strutturali e costituiscono il rivestimento del virus.

Il virus contiene enzimi fondamentali per la replicazione del materiale genetico ed è circondato da un altro involucro, più esterno, formato da uno strato lipidico, detto pericapside. Ha forme diverse; comunemente è sferico ma può essere poliedrico, elicoidale, filiforme, amorfo e composito. Si stima che esistano oltre cento milioni di virus ma soltanto circa 5000 tipologie sono state sinora descritte nel dettaglio.

I virus sono vari ed hanno una grande diversità genetica

Il primo virus identificato, come agente patogeno non batterico, fu il virus del mosaico del tabacco nel 1890 dallo scienziato russo Dmitri Ivanovsky. Oltre a replicarsi nell'ospite, i virus necessitano di trasmettersi da un ospite ad un altro, tramite un vettore, un organismo intermedio mobile che può essere un insetto che si nutre della linfa di una pianta o un parassita che succhia sangue in un animale. Tali vettori non sono necessari ai virus non vegetali, che si trasmettono per via respiratoria e per via oro-fecale, per contatto anche sessuale, per ingestione di alimenti infetti.

La migliore definizione, meno scientifica e più prosaica, è quella del premio Nobel, il biologo inglese Peter Medawar: Il virus è cattive notizie avvolte in una proteina. Le cattive notizie sono rappresentate dal materiale genetico che spesso è in grado di danneggiare l'ospite nel momento in cui sfrutta le sue cellule “come luogo di rifugio e riproduzione”. La proteina che li avvolge, spiega Medawar, è il cosiddetto capside che serve a due scopi: proteggere l'interno del virus quando è il caso e aiutarlo a farsi strada nelle cellule. La singola unità virale, intatta e libera, è detta virione la cui forma esterna è determinata dal capside.

Cos'è un virus

Un virus non cambia la sua sostanza se a spiegarlo non sono gli uomini di scienza nei trattati, ma un saggista divulgatore scientifico, attraverso l'arte della narrazione seguendo da vicino per anni i cacciatori di virus. Cosa sia un virus è ben raccontato infatti da David Quammen, autore del bestseller "Spillover, animal infections and the next human pandemic" (2012) oltre che di importanti reportage per National Geographic, più volte vincitore del prestigioso National Magazine Award.

Lo scrittore statunitense scrive che fino al Novecento i virus erano un mistero indecifrabile, come la materia oscura o il pianeta X. Ci racconta che la loro esistenza era chiaramente percepibile ma non si riusciva a vederli dal vivo. I virus erano per la microbiologia come i neutroni erano per la fisica. Neppure Pasteur, con le sue fondamentali ricerche batteriologiche, mise mai occhio sui virus né capì esattamente cosa fossero in realtà, oltre a definirli elementi invisibili e non identificabili come ancora si usava pensarli nell'Ottocento.

Neppure la pandemia influenzale del 1918–1919, che fece oltre cinquanta milioni di morti, riuscì a decifrare il terribile mistero. I virus non si mostravano ai normali microscopi ottici del tempo; non si riuscivano a coltivare in laboratorio; non si catturavano, come invece i batteri, grazie a particolari filtri di porcellana. La loro esistenza era puramente deduttiva, scrive Quammen nel capitolo "È virale".

Sono sfuggenti perché sono minuscoli organismi con una struttura semplice ma ingegnosa, un'anomalia biologica che permette loro di risparmiare risorse ed è in certi casi diabolicamente subdola, spiega l'autore sottolineando che gli esperti non sono nemmeno certi che si tratti di veri e propri esseri viventi. Se non lo fossero, secondo l'autore ne sarebbero comunque un'eccellente imitazione, perché sono parassiti che competono con altre forme di vita, attaccano e sfuggono, combattono e obbediscono allo stesso imperativo di fondo, cioè sopravvivere e moltiplicarsi per perpetuare la discendenza. Lo fanno, spiega, grazie a complesse strategie modellate dalla selezione naturale darwiniana perché anche loro si evolvono. I virus oggi presenti sulla Terra sono ben adattati alle circostanze, perché solo i più adatti sono sopravvissuti.

Quando si è cominciato a parlare di virus

Oltre che veleno, il significato etimologico di virus è "melma e fetore", come lo definivano gli antichi. David Quammen specifica che è tradotto anche come “umore animale velenoso”. Il termine fu usato correttamente per la prima volta con il significato di agente che causa una malattia infettiva in modo generico, senza ancora tuttavia distinguerlo dai batteri, soltanto nel 1728. Inoltre, anche se nessuno sapeva da che cosa fossero provocati, gli effetti dei virus erano ben noti prima della loro scoperta.

Vaiolo, rabbia, morbillo ci sono stati tragicamente familiari per secoli e millenni. L'autore racconta di come la fase acuta della malattia e le epidemie fossero spiegati in modi creativi, le cause erano miasmi pestilenziali, vapori, effluvi, materia in decomposizione, sporcizia, povertà, volontà divina, magia nera, aria fredda, umidità. Fu soltanto nel 1840 che l'anatomista tedesco Jacob Henle formulò l'ipotesi, senza tuttavia poterla dimostrare con prove, che fossero particelle nocive, vive o inerti, troppo piccole per essere viste al microscopio e diverse dai batteri, a causare e trasmettere certe malattie.

Il primo medico ad osservare che il contagio passava da un malato ad un altro con un ritardo di circa due settimane fu il danese Peter Panum nel 1846 durante un'epidemia di morbillo nelle isole Faroe. Aveva così individuato il periodo di incubazione, il tempo che intercorre tra il contatto con l'infezione e la comparsa dei primi sintomi di una malattia.

Con Robert Koch e Louis Pasteur la medicina, che cercava di capire e dare un nome agli agenti patogeni, passò comunque dalle vecchie credenze, relative a squilibri degli umori e alla putrefazione contagiosa, alla teoria microbica. Ma erano batteri, non virus. Racconta Quammen che fu soltanto nel 1890, a San Pietroburgo, con Ivanovsky che si delineò la prima definizione operativa del virus: agenti infettivi filtrabili ossia così piccoli da passare anche là dove i batteri non riuscivano.

Con l'olandese Beijerinck, che condusse studi sulla linfa delle piante, si ebbe un ritratto più completo di un virus: un'entità più piccola di un batterio, invisibile al microscopio e capace di moltiplicarsi all'interno delle cellule viventi ma non altrove. Senza produrre una tossina o sostanza velenosa tipica dei batteri, questa roba misteriosa riusciva, a patto di avere a disposizione la pianta, a non perdere forza e a riprodursi nei suoi tessuti.

La definì contagium vivum fluidum, pensando che questo agente avesse una consistenza liquida lo si definì “virus filtrabile” sino al 1934, quando con l'invenzione del microscopio elettronico si scoprì che un virus è formato invece da minuscole particelle solide. Hans Zinser fu poi il primo ad intuire che anche queste entità virali chiamate virus potevano causare le peggiori zoonosi: similmente al caso batterico, anche queste sostanze misteriose sono in grado di provocare malattie infettive, che esistono molte affezioni del regno animale che riescono a fare il salto di specie e colpire l'uomo poiché esiste un vivace scambio di parassiti tra l'uomo e il mondo animale. Così David Quammen descrive il virus:

Ha un genoma piccolo come le sue dimensioni. È semplificato al massimo e serve solo a soddisfare le esigenze di una vita totalmente parassitaria, dipendente da quella altrui. Non contiene il meccanismo della replicazione autonoma, dunque il virus deve mendicare e rubare. Il genoma è limitato, da 2000 a 1,2 milioni di nucleotidi. Il genoma di un topo ne contiene circa 3 miliardi. Il virus dell'influenza ne ha 13 mila e SarsCoV2 ne ha appena 30 mila. Un virus quindi contiene un ben misero insieme di istruzioni, sufficiente per codificare appena otto o dieci proteine. Ma è sufficiente per renderlo scaltro ed efficiente.

L'autore sottolinea che i virus sono sempre stati definiti al negativo: non filtrabili, non coltivabili, non del tutto viventi. I virus devono affrontare quattro tipi fondamentali di problemi: come passare da un ospite ad un altro; come entrare nelle cellule dell'ospite, come prendere il controllo delle cellule per fare in modo di replicarsi e come uscire dalla cellula e dall'ospite senza morire. Con il minimo dispendio di energia, questi organismi hanno una struttura ed una capacità genetica modellata per soddisfare queste finalità. Non essendo cellula e pertanto non avendo membrana e metabolismo interno, i virus risultano inoltre immuni a sostanze killer come gli antibiotici che ben agiscono sui batteri.

Virus a DNA e virus a RNA

Il materiale genetico, a DNA o a RNA a seconda del tipo di virus, è l'insieme di istruzioni necessarie per creare nuovi virioni fatti allo stesso modo e tali istruzioni si possono mettere in pratica solo se inserite nei meccanismi di una cellula funzionante. È il tasso di mutazione del virus la principale differenza tra le proprietà dei virus a DNA o a RNA.

I virus a DNA, molecola a doppio filamento o doppia elica, hanno un'enzima detto DNA polimerasi che agisce come un correttore di bozze: rimedia agli errori di posizionamento delle basi nucleotidiche se si trovano in posizioni sbagliate nel corso della replicazione, restaurando la costruzione di un nuovo DNA esattamente identico all'originale. Pertanto il tasso di mutazione nei virus a DNA è in genere relativamente basso.

I virus a RNA, molecola ad un solo filamento, non hanno questo meccanismo di correzione basato sull'accoppiamento specifico dei nucleotidi (adenina si unisce solo con la timina e la citosina solo con la guanina) pertanto mutano con una frequenza anche mille volte maggiore. I virus a RNA mutano senza ritegno.

Le mutazioni dei virus

Anche se la maggior parte delle mutazioni sono dannose e causano un malfunzionamento fatale e portano l'agente mutante in un vicolo cieco evolutivo, come spiega l'auore, di tanto in tanto appare una mutazione utile e adattiva. Maggiore è il numero di mutazioni, maggiore è la probabilità che qualcuna si riveli benefica. E al tempo stesso è maggiore la possibilità che si presentino quelle letali.

I virus a RNA evolvono quindi con rapidità forse più velocemente di qualsiasi altro tipo di organismo terrestre. Ed è questa loro proprietà che li rende così sfuggenti ed imprevedibili. E generalmente rappresentano una cattiva notizia per noi esseri umani, ma non per tutti. Infatti, conclude Quammen, un'infezione non sempre comporta danni significativi e a volte essere infetti implica semplicemente ospitare una certa popolazione di microbi. Un virus non deve automaticamente fare ammalare il suo ospite perché è nel suo interesse soltanto replicarsi e diffondersi.

Per creare le sue copie, il virus deve entrare nelle cellule e, per sovvertire il loro fisiologico meccanismo, spesso le distrugge nel tentativo di riuscirci. Ma non sempre tutto ciò è causa di danni seri per l'organismo umano. Un virus può starsene buono dentro il corpo, senza fargli male, replicandosi senza esagerare e trovando un modo di spostarsi da un ospite ad un altro, il tutto senza causare sintomi. Per definizione la caratteristica che rende l'organismo un serbatoio è proprio l'assenza di sintomi. Esiste una relazione tra un patogeno e il suo ospite serbatoio e tale relazione può evolversi sino a raggiungere una tregua permanente fatta di evoluzioni fino a quando il parassita si fa meno virulento e il parassitato più tollerante. Si forma pertanto, talvolta, una forma speciale di equilibrio definito ecologico.

Ma come tutti gli equilibri biologici, specifica chiaramente l'autore, sono situazioni temporanee, provvisorie e contingenti. Quando avviene uno spillover il virus entra in un nuovo ospite e la tregua si rompe. La reciproca tolleranza non è trasferibile, l'equilibrio si spezza, si instaurano nuove relazioni tra invaso ed invasore. Una volta entrato in un organismo a lui non familiare, il virus può trasformarsi in un innocuo passeggero, una modesta seccatura o una piaga biblica. Dipende.

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