История открытия вирусов начинается как раз с заболеваний растений. В конце XIX века российский ботаник Дмитрий Ивановский изучает в Крыму мозаичное заболевание табака. При этом заболевании на листьях появляются жёлтые пятна. Заболевшие растения малопригодны для использования в табачной промышленности. Иначе говоря, табачная мозаика может нанести ощутимый экономический ущерб. Как, кстати, и многие другие вирусные болезни растений. Ивановский обнаружил удивительную для понятий того времени особенность возбудителя мозаики табака. Ведь Луи Пастер со своими опытами уже общеизвестен, Роберт Кох открыл бациллу сибирской язвы, холерный вибрион и туберкулёзную палочку. В эти годы бактериология пышно расцветает.
В 1884 году Шарль Шамберлен изготовил специальные фильтры. Они задерживали все известные к тому времени бактерии. Жидкости, проходящие через эти фильтры, становились стерильными. Ивановский решает пропустить через эти фильтры сок заболевших растений табака. Удивительно, но неизвестный возбудитель мозаики табака фильтром не задерживался. В 1892 году Ивановский публикует результаты своих исследований. Не зная природу возбудителя болезни, он предполагает, что это фильтрующаяся бактерия или бактериальный токсин. В 1898 году голландец Мартин Бейеринк, тоже изучавший табачную мозаику, приходит к выводу, что имеет дело с инфекционным агентом нового типа. Бейеринк называет его «вирусом» от латинского слова «яд». Таким было начало вирусологии. В течение последующего десятилетия были открыты фильтрующиеся вирусы ящура, жёлтой лихорадки, оспы, бешенства, полиомиелита. Потом учёные узнали, что вирусные частицы состоят из белковой оболочки, внутри которой находится ДНК или РНК. Кстати, позже выяснилось, что существуют и фильтрующиеся бактерии – такие маленькие, что могут проходить через фильтр. Но всё это было потом. Первым открытым вирусом был растительный вирус табачной мозаики.
Люди сталкивались с вирусами растений и прежде. В классическом японском стихотворении, написанном в восьмом веке, говорится о растении посконник (Eupatorium) с типичными симптомами вирусного заболевания. На картинах голландских живописцев XVII века изображены тюльпаны пёстрых и мозаичных расцветок – и это тоже вирус. Но только в последние пару десятилетий учёные научились использовать эти вирусы. Царство вирусов многообразно. Есть огромные мимивирусы, сравнимые по размерам и числу генов с маленькими бактериями. Есть вирусы маленькие, с простым геномом. И вирусы растений как раз относятся чаще всего к последним. А это значит, что с ними работать генным инженерам удобно. Можно легко сделать на основе вирусов растений векторы с модифицированными генами. Такие рекомбинантные вирусы, попадая в растение, производят не только свои обычные белки, но и, например, фармацевтические.
Обычный набор генов вирусов растений, в том числе и вируса табачной мозаики, состоит всего из трёх функциональных групп. Первая группа отвечает за синтез нуклеиновых кислот вируса (ДНК или РНК). Вторая группа обеспечивает продукцию структурных белков, которые будут упаковывать геном вируса в частицу сферической, палочкообразной или иной формы. Чаще всего это единственный белок оболочки вируса. У вируса табачной мозаики геномная РНК упаковывана в палочку из примерно двух тысяч субъединиц этого белка. Наконец, последняя, третья группа генов обеспечивает передвижение вирусных частиц по растению. Интересно, что от растения к растению вирус переходит пассивно: с помощью насекомых или в соке через микроповреждения, возникающие, когда растения трутся друг о друга. А вот попав так в растительную клетку, дальше вирусы распространяются активно, с помощью своих специальных белков. Одни белки позволяют переходить вирусу от одной клетке к другой и, размножаясь там, постепенно захватывать весь лист. Другие (часто это структурные белки) помогают вирусу заразить сразу всё растение. Они отвечают за транспорт на длинные дистанции – вирус через сосуды растения, по которым обычно движутся вода и минеральные соли, попадает сначала в корни, потом – в самую верхушку, а потом и во все листья. То есть теоретически даже одна вирусная частица, случайно попав в растение, размножаясь там, способна за короткое время заполонить своими копиями все клетки растительного организма.
И именно это свойство вирусов растений – способность активно воспроизводиться во всём растении после первичного заражения всего одного листа – используется биотехнологами. С помощью методов генной инженерии в специально модифицированный вирусный геном вставляется ген какого-нибудь интересного белка. Для модельных опытов обычно используют зелёный флуоресцирующий белок, который светится в темноте под ультрафиолетом. В этом эксперименте за распространением вируса по растению легко наблюдать по яркому зелёному свечению. Вирус (обычно только синтезированную геномную РНК с нужными модификациями) механически вносят в растение осторожным натиранием одного листа. Он начинает там размножаться и синтезировать свои белки. В заражённом вирусом растении всегда в очень большом количестве синтезируются субъединицы белка оболочки. Поэтому как раз регулирующие элементы для синтеза этого белка удваиваются исследователями в рекомбинантном геноме вируса, и под контроль одного набора из двух ставится ген интересного учёным белка, а под контролем второго остаётся белок оболочки. Это приводит к эффективному синтезу нужного продукта. Который, когда вирус захватит всё растение, предстоит ещё выделить и очистить.
Какие же особенности и ограничения есть у этой системы производства фармацевтических белков? Уже известно, что геном вирусов растений не любит, когда вставляемые в него чужеродные гены очень большие. Лучше всего с помощью вирусных векторов синтезируются относительно маленькие белки. Если же размер гена превышает две тысячи нуклеотидов, то уровень его экспрессии невелик, а рекомбинации, то есть выщепление вставки из генома и возвращение вируса к дикому типу, происходят часто. Зато может осуществиться интересная идея производства вакцин в съедобных растениях. В этой модели к белку оболочки вируса генноинженерно присоединяется определённый полипептид-антиген. Тогда вирусная частица будет покрыта тысячами этих одинаковых антигенов, торчащих наружу. Заразив какое-нибудь съедобное растение этим вирусом, подождав, пока его будет там много, можно будет съесть это растение и получить иммунитет к серьёзному заболеванию, совместив приятное с полезным.