Nota dell’editore: Questa storia è stata originariamente pubblicata nel numero di dicembre 2004 di Scientific American.
In un episodio della classica commedia televisiva degli anni ’50 The Honeymooners, l’autista di autobus di Brooklyn Ralph Kramden spiega a voce alta a sua moglie Alice: “Sai che so quanto è facile prendere il virus”. Mezzo secolo fa anche persone normali come i Kramden avevano una certa conoscenza dei virus, come microscopici portatori di malattie. Eppure è quasi certo che non sapevano esattamente cosa fosse un virus. Non erano, e non sono, soli.
Per circa 100 anni, la comunità scientifica ha ripetutamente cambiato idea collettiva su cosa siano i virus. Prima visti come veleni, poi come forme di vita, poi come sostanze chimiche biologiche, oggi si pensa che i virus si trovino in una zona grigia tra il vivente e il non vivente: non possono replicarsi da soli ma possono farlo in cellule realmente viventi e possono anche influenzare profondamente il comportamento dei loro ospiti. La categorizzazione dei virus come non viventi durante gran parte dell’era moderna della scienza biologica ha avuto una conseguenza involontaria: ha portato la maggior parte dei ricercatori a ignorare i virus nello studio dell’evoluzione. Finalmente, però, gli scienziati stanno cominciando ad apprezzare i virus come attori fondamentali nella storia della vita.
Come arrivare a un accordo
È facile capire perché i virus siano stati difficili da classificare. Sembrano variare con ogni lente applicata per esaminarli. L’interesse iniziale per i virus derivava dalla loro associazione con le malattie – la parola “virus” ha le sue radici nel termine latino per “veleno”. Alla fine del XIX secolo i ricercatori si resero conto che alcune malattie, tra cui la rabbia e l’afta epizootica, erano causate da particelle che sembravano comportarsi come batteri ma erano molto più piccole. Poiché erano chiaramente biologici e potevano essere diffusi da una vittima all’altra con ovvi effetti biologici, i virus furono ritenuti la più semplice di tutte le forme di vita viventi e portatrici di geni.
La loro retrocessione a sostanze chimiche inerti avvenne dopo il 1935, quando Wendell M. Stanley e i suoi colleghi, all’attuale Rockefeller University di New York City, cristallizzarono per la prima volta un virus, il virus del mosaico del tabacco. Hanno visto che consisteva in un pacchetto di sostanze biochimiche complesse. Ma mancava di sistemi essenziali necessari per le funzioni metaboliche, l’attività biochimica della vita. Stanley ha condiviso il premio Nobel del 1946 – in chimica, non in fisiologia o medicina – per questo lavoro.
L’ulteriore ricerca di Stanley e altri ha stabilito che un virus consiste di acidi nucleici (DNA o RNA) racchiusi in un mantello proteico che può anche proteggere le proteine virali coinvolte nell’infezione. Con questa descrizione, un virus sembra più un insieme di chimica che un organismo. Ma quando un virus entra in una cellula (chiamata ospite dopo l’infezione), è tutt’altro che inattivo. Si spoglia del suo mantello, mette a nudo i suoi geni e induce il macchinario di replicazione della cellula a riprodurre il DNA o l’RNA dell’intruso e a produrre più proteine virali sulla base delle istruzioni dell’acido nucleico virale. I bit virali appena creati si assemblano e, voilà, nasce altro virus, che può anche infettare altre cellule.
Questi comportamenti sono ciò che ha portato molti a pensare ai virus come esistenti al confine tra chimica e vita. Più poeticamente, i virologi Marc H. V. van Regenmortel dell’Università di Strasburgo in Francia e Brian W. J. Mahy dei Centers for Disease Control and Prevention hanno recentemente detto che con la loro dipendenza dalle cellule ospiti, i virus conducono “una sorta di vita in prestito”. È interessante notare che, anche se i biologi hanno a lungo favorito l’idea che i virus fossero semplici scatole di prodotti chimici, hanno approfittato dell’attività virale nelle cellule ospiti per determinare come gli acidi nucleici codificano per le proteine: in effetti, la moderna biologia molecolare poggia su una base di informazioni ottenute attraverso i virus.
I biologi molecolari hanno continuato a cristallizzare la maggior parte dei componenti essenziali delle cellule e sono oggi abituati a pensare ai costituenti cellulari – per esempio, ribosomi, mitocondri, membrane, DNA e proteine – sia come macchinari chimici che come il materiale che il macchinario usa o produce. Questa esposizione a molteplici strutture chimiche complesse che svolgono i processi della vita è probabilmente una ragione per cui la maggior parte dei biologi molecolari non passano molto tempo a chiedersi se i virus siano vivi. Per loro, questo esercizio potrebbe sembrare equivalente a riflettere se quei singoli costituenti subcellulari siano vivi da soli. Questa visione miope permette loro di vedere solo come i virus cooptano le cellule o causano la malattia. La questione più ampia dei contributi virali alla storia della vita sulla terra, che affronterò tra poco, rimane per la maggior parte senza risposta e persino senza domanda.
Essere o non essere
La domanda apparentemente semplice se i virus siano vivi o meno, che i miei studenti pongono spesso, ha probabilmente definito una risposta semplice in tutti questi anni perché solleva una questione fondamentale: Cosa definisce esattamente la “vita”? Una precisa definizione scientifica della vita è una cosa sfuggente, ma la maggior parte degli osservatori concorda sul fatto che la vita include alcune qualità oltre alla capacità di replicarsi. Per esempio, un’entità vivente è in uno stato delimitato da nascita e morte. Si pensa anche che gli organismi viventi richiedano un certo grado di autonomia biochimica, portando avanti le attività metaboliche che producono le molecole e l’energia necessarie per sostenere l’organismo. Questo livello di autonomia è essenziale per la maggior parte delle definizioni.
I virus, tuttavia, parassitano essenzialmente tutti gli aspetti biomolecolari della vita. Cioè, dipendono dalla cellula ospite per le materie prime e l’energia necessarie per la sintesi degli acidi nucleici, la sintesi delle proteine, l’elaborazione e il trasporto, e tutte le altre attività biochimiche che permettono al virus di moltiplicarsi e diffondersi. Si potrebbe quindi concludere che anche se questi processi passano sotto la direzione virale, i virus sono semplicemente parassiti non viventi di sistemi metabolici viventi. Ma può esistere uno spettro tra ciò che è certamente vivo e ciò che non lo è.
Una roccia non è viva. Anche un sacco metabolicamente attivo, privo di materiale genetico e del potenziale di propagazione, non è vivo. Un batterio, però, è vivo. Anche se è una singola cellula, può generare energia e le molecole necessarie per sostenersi, e può riprodursi. Ma che dire di un seme? Un seme potrebbe non essere considerato vivo. Eppure ha un potenziale di vita, e può essere distrutto. In questo senso, i virus assomigliano più ai semi che alle cellule vive. Hanno un certo potenziale, che può essere distrutto, ma non raggiungono lo stato più autonomo della vita.
Un altro modo di pensare alla vita è come una proprietà emergente di un insieme di certe cose non viventi. Sia la vita che la coscienza sono esempi di sistemi complessi emergenti. Ognuno di essi richiede un livello critico di complessità o interazione per raggiungere i rispettivi stati. Un neurone da solo, o anche in una rete di nervi, non è cosciente – è necessaria la complessità del cervello intero. Eppure anche un cervello umano intatto può essere biologicamente vivo ma incapace di coscienza, o “cervello morto”. Allo stesso modo, né i singoli geni o proteine cellulari o virali sono di per sé vivi. La cellula enucleata è simile allo stato di essere cerebralmente morta, in quanto manca di una piena complessità critica. Anche un virus non riesce a raggiungere una complessità critica. Quindi la vita stessa è uno stato emergente e complesso, ma è fatta dagli stessi fondamentali elementi fisici che costituiscono un virus. Da questo punto di vista, i virus, anche se non completamente vivi, possono essere considerati più che materia inerte: sono vicini alla vita.
In effetti, in ottobre, i ricercatori francesi hanno annunciato risultati che illustrano di nuovo quanto alcuni virus possano essere vicini. Didier Raoult e i suoi colleghi dell’Università del Mediterraneo di Marsiglia hanno annunciato di aver sequenziato il genoma del più grande virus conosciuto, il Mimivirus, scoperto nel 1992. Il virus, delle stesse dimensioni di un piccolo batterio, infetta le amebe. L’analisi delle sequenze del virus ha rivelato numerosi geni che prima si pensava esistessero solo negli organismi cellulari. Alcuni di questi geni sono coinvolti nella fabbricazione delle proteine codificate dal DNA virale e possono facilitare al Mimivirus di cooptare i sistemi di replicazione delle cellule ospiti. Come il team di ricerca ha notato nel suo rapporto sulla rivista Science, l’enorme complessità del complemento genetico del Mimivirus “sfida la frontiera stabilita tra virus e organismi cellulari parassiti.”
Impatto sull’evoluzione
I dibattiti sull’opportunità di etichettare i virus come viventi portano naturalmente a un’altra domanda: Riflettere sullo status dei virus come viventi o non viventi è più di un esercizio filosofico, la base di un vivace e acceso dibattito retorico ma con poche conseguenze reali? Penso che la questione sia importante, perché il modo in cui gli scienziati considerano questa domanda influenza il loro pensiero sui meccanismi dell’evoluzione.
I virus hanno una loro storia evolutiva antica, che risale all’origine stessa della vita cellulare. Per esempio, alcuni enzimi di riparazione virale – che eliminano e risintetizzano il DNA danneggiato, riparano i danni dei radicali dell’ossigeno e così via – sono unici per alcuni virus ed esistono quasi immutati probabilmente da miliardi di anni.
Nonostante, la maggior parte dei biologi evolutivi ritiene che, poiché i virus non sono vivi, non sono degni di seria considerazione quando si cerca di capire l’evoluzione. Considerano anche i virus come provenienti da geni dell’ospite che in qualche modo sono sfuggiti all’ospite e hanno acquisito un mantello proteico. In questa visione, i virus sono geni fuggitivi dell’ospite che sono degenerati in parassiti. E con i virus così esclusi dalla rete della vita, importanti contributi che potrebbero aver dato all’origine delle specie e al mantenimento della vita potrebbero non essere riconosciuti. (Infatti, solo quattro delle 1.205 pagine del volume del 2002 The Encyclopedia of Evolution sono dedicate ai virus.)
Naturalmente, i biologi evolutivi non negano che i virus abbiano avuto un ruolo nell’evoluzione. Ma considerando i virus come inanimati, questi ricercatori li mettono nella stessa categoria di influssi come, per esempio, il cambiamento climatico. Queste influenze esterne selezionano tra gli individui che hanno tratti variegati e geneticamente controllati; gli individui più capaci di sopravvivere e prosperare di fronte a queste sfide si riproducono con più successo e quindi diffondono i loro geni alle generazioni future.
Ma i virus scambiano direttamente informazioni genetiche con gli organismi viventi, cioè all’interno della rete della vita stessa. Una possibile sorpresa per la maggior parte dei medici, e forse anche per la maggior parte dei biologi evolutivi, è che la maggior parte dei virus conosciuti sono persistenti e innocui, non patogeni. Prendono residenza nelle cellule, dove possono rimanere dormienti per lunghi periodi o approfittare dell’apparato di replicazione delle cellule per riprodursi ad un ritmo lento e costante. Questi virus hanno sviluppato molti modi intelligenti per evitare il rilevamento da parte del sistema immunitario dell’ospite – essenzialmente ogni passo del processo immunitario può essere alterato o controllato da vari geni che si trovano in un virus o in un altro.
Inoltre, il genoma di un virus (l’intero complemento di DNA o RNA) può colonizzare permanentemente il suo ospite, aggiungendo geni virali alle stirpi dell’ospite e diventando alla fine una parte critica del genoma della specie ospite. I virus hanno quindi sicuramente effetti più veloci e diretti di quelli delle forze esterne che selezionano semplicemente tra le variazioni genetiche interne generate più lentamente. L’enorme popolazione di virus, combinata con i loro rapidi tassi di replicazione e mutazione, li rende la principale fonte di innovazione genetica al mondo: essi “inventano” costantemente nuovi geni. E i geni unici di origine virale possono viaggiare, trovando la loro strada in altri organismi e contribuendo al cambiamento evolutivo.
I dati pubblicati dall’International Human Genome Sequencing Consortium indicano che da qualche parte tra 113 e 223 geni presenti nei batteri e nel genoma umano sono assenti in organismi ben studiati – come il lievito Saccharomyces cerevisiae, la mosca della frutta Drosophila melanogaster e il nematode Caenorhabditis elegans – che si trovano tra questi due estremi evolutivi. Alcuni ricercatori hanno pensato che questi organismi, sorti dopo i batteri ma prima dei vertebrati, abbiano semplicemente perso i geni in questione a un certo punto della loro storia evolutiva. Altri suggerivano che questi geni fossero stati trasferiti direttamente alla stirpe umana da batteri invasori.
Il mio collega Victor DeFilippis del Vaccine and Gene Therapy Institute della Oregon Health and Science University e io abbiamo suggerito una terza alternativa: i virus possono originare i geni, quindi colonizzare due stirpi diverse, per esempio, batteri e vertebrati. Un gene apparentemente donato all’umanità dai batteri potrebbe essere stato dato a entrambi da un virus.
In effetti, insieme ad altri ricercatori, Philip Bell della Macquarie University di Sydney, Australia, e io sosteniamo che il nucleo cellulare stesso è di origine virale. L’avvento del nucleo – che differenzia gli eucarioti (organismi le cui cellule contengono un vero nucleo), compresi gli esseri umani, dai procarioti, come i batteri – non può essere spiegato in modo soddisfacente solo con il graduale adattamento delle cellule procariotiche fino a diventare eucariotiche. Piuttosto, il nucleo potrebbe essersi evoluto da un grande virus del DNA persistente che ha fatto una casa permanente all’interno dei procarioti. Un certo supporto a questa idea viene dai dati di sequenza che mostrano che il gene per una DNA polimerasi (un enzima che copia il DNA) nel virus chiamato T4, che infetta i batteri, è strettamente legato ad altri geni di DNA polimerasi sia negli eucarioti che nei virus che li infettano. Anche Patrick Forterre dell’Università di Paris-Sud ha analizzato gli enzimi responsabili della replicazione del DNA e ha concluso che i geni di tali enzimi negli eucarioti hanno probabilmente un’origine virale.
Dagli organismi unicellulari alle popolazioni umane, i virus influenzano tutta la vita sulla terra, spesso determinando cosa sopravviverà. Ma anche i virus stessi si evolvono. I nuovi virus, come l’HIV-1 che causa l’AIDS, possono essere le uniche entità biologiche che i ricercatori possono effettivamente vedere nascere, fornendo un esempio in tempo reale di evoluzione in azione.
I virus sono importanti per la vita. Sono il confine in costante cambiamento tra il mondo della biologia e quello della biochimica. Mentre continuiamo a svelare i genomi di sempre più organismi, i contributi di questo dinamico e antico pool genico dovrebbero diventare evidenti. Il premio Nobel Salvador Luria ha riflettuto sull’influenza virale sull’evoluzione nel 1959. “Non possiamo forse sentire”, scrisse, “che nei virus, nel loro fondersi con il genoma cellulare e nel riemergere da essi, osserviamo le unità e i processi che, nel corso dell’evoluzione, hanno creato i modelli genetici di successo che sono alla base di tutte le cellule viventi? Indipendentemente dal fatto che consideriamo o meno i virus come vivi, è ora di riconoscerli e studiarli nel loro contesto naturale – all’interno della rete della vita.