Virologia generale - Microbiologia

La microbiologia

La microbiologia è una disciplina che si occupa di tutti i microrganismi che convivono nel nostro ecosistema (corpo umano e ambientale). Ci si occuperà in particolare di tutti i microrganismi patogeni, in termini di microbiologia medica. Riguarda in generale lo studio di organismi troppo piccoli per essere visti a occhio nudo e dei loro rapporti con l’uomo. I microrganismi sono:

La microbiologia è una scienza che va di pari passo con l’immunologia a causa del potere antigenico dei microrganismi che riescono a indurre una risposta immunitaria da parte dell’organismo.

Virologia

Il virus è un'entità il cui genoma si riproduce all'interno di cellule viventi, sfruttando i meccanismi biosintetici di queste e orientandoli verso la formazione di particelle che contengono il genoma virale e possono trasferirlo ad altre cellule. I virus possono essere definiti in altri tre modi:

• Organizzazioni biologiche
• Entità biologiche con struttura subcellulare, più piccole dei batteri
• Combinazioni organizzate di macromolecole (acidi nucleici, proteine e, in alcuni casi, lipidi)

Sono dotati di genoma protetto da un involucro proteico. L’acido nucleico posseduto può essere DNA o RNA (non esistono virus con entrambi i tipi di acido nucleico). Possono replicarsi solo in cellule viventi: sfruttano i meccanismi biosintetici delle cellule che infettano, per produrre altri virioni.

Al di fuori delle cellule, i virus non hanno vita autonoma: non possono replicarsi senza un ospite, per cui si parla di parassiti endocellulari obbligati. Ogni cellula vivente può essere infettata da un virus, dai batteri (infettati dai batteriofagi), ai miceti, le cellule vegetali e tutte le cellule animali. Questo è importante perché in alcuni casi i virus che infettano gli animali vengono trasferiti all’uomo. Nel caso della rabbia l’uomo rappresenta l’accettore finale del virus: non c’è trasmissione da uomo a uomo ma solo da animale a uomo.

Nella maggior parte dei casi c’è il salto di specie (o spillover), da un animale in cui il virus è in equilibrio con l’ospite, all’uomo che non ha difese immunitarie nei confronti del virus. Per questo subito dopo il salto di specie il virus appare molto aggressivo, mentre nel tempo si adatta all’ospite.

Cenni storici

È una caratteristica propria dei virus il cercare di trovare un equilibrio con l’ospite: non potendo sopravvivere a lungo senza di esso, cerca il più possibile di non ucciderlo. Anche per questo motivo si può affermare che i virus fanno parte di tutta la storia dell’uomo.

Vi sono diverse fonti storiche che attestano la conoscenza delle malattie virali da parte di civiltà molto antiche, anche se ovviamente non se ne conosceva la causa. Omero descrive, nell’Iliade, Ettore come “rabico”, ovvero affetto da rabbia. In alcune civiltà antiche, pur non avendo alcun tipo di conoscenza di microbiologia, si era intuito che alcune malattie potevano essere trasmesse dagli animali. In Mesopotamia, per esempio, c’erano leggi (redatte prima del 1000 a.C.) che descrivevano le responsabilità dei proprietari di cani affetti da rabbia. Anche gli Egizi conoscevano alcune malattie virali: lo dimostrano ad esempio una tavoletta raffigurante un sacerdote colpito da poliomielite, o una mummia con cicatrici di vaiolo.

Il nome “virus” deriva dal latino e significa veleno, tossina. Per la prima volta i virus furono descritti da Edward Jenner, il primo a ideare il vaccino antivaioloso nel 1798. Jenner definì veleno (e quindi virus) ciò che era alla base di tutte le malattie che erano trasmissibili, anche se non era chiaro come queste fossero trasmesse.

All’inizio dell’800, quindi, tutti i patogeni che causavano malattia erano considerati virus. Questo fino a quando Koch non sviluppò tecniche di coltura dei microrganismi e individuò una caratteristica fondamentale dei batteri, ovvero la loro capacità di crescere in coltura. Nel corso dell’800 quindi si studiarono soprattutto i batteri, che erano visibili al microscopio e potevano essere messi in coltura. Solo alla fine dell’800 si scoprì che c’erano malattie causate non dai batteri, ma da elementi più piccoli, chiamati agenti filtrabili. Li scoprì per primo Ivanovskij, usando metodi di filtrazione dei patogeni: i batteri venivano trattenuti dalle minuscole maglie del filtro, mentre una porzione dei patogeni (chiamati per questo agenti filtrabili) era capace di diffondere attraverso il filtro.

Il primo virus ad essere identificato è stato il virus del mosaico del tabacco, che provoca una grave infezione nelle piantagioni di tabacco. Nel 1898 fu identificato il primo virus umano: si trattava di un picornavirus, la cui infezione è caratterizzata da vescicole su piedi e bocca. Nel 1900 fu identificato il virus della febbre gialla, un flavivirus trasmesso dalle zanzare, che causa necrosi epatica. Nel 1906 fu identificato il primo retrovirus oncogeno, che provoca il sarcoma di Rous (sarcoma di pollo). Il più noto dei retrovirus è sicuramente l’HIV, virus che provoca l’AIDS, scoperto però solo alla fine degli anni ’80.

L'importanza dei virus nella storia dell'uomo

L’importanza dei virus nella storia dell’uomo è analizzabile osservando come questi si sono integrati con il nostro organismo (si può addirittura parlare di virioma, al pari del batterioma). Inoltre è possibile osservare come le grandi epidemie si sono susseguite nei secoli.

Ad esempio, i primi conquistatori giunti in America portarono in questi territori il vaiolo e il morbillo causando quindi enormi epidemie, dovute al fatto che le popolazioni locali non avevano alcuna difesa immunitaria. Nel 1918 ci fu l’epidemia di spagnola, causata da un virus del ceppo influenzale H1N1. Si trattava di un virus molto virulento, e causò più morti della Prima Guerra Mondiale, soprattutto tra i giovani; la mortalità era tuttavia, in questo caso, indipendente dalla virulenza: come per il morbillo in Sud America, nessuno aveva le adeguate difese immunitarie.

A scatenare diverse epidemie negli ultimi decenni è stata poi l’HIV; fortunatamente ad oggi questo virus è tenuto sotto controllo grazie ai farmaci antiretrovirali.

Per ricordare invece le epidemie verificatesi negli ultimi vent’anni:

• Sars CoV-1 nel 2002/2003 - Severe Acute Respiratory Syndrome
• Influenza suina Swine nel 2009
• MERS (Middle East Respiratory Syndrome) CoV nel 2012
• Ebola nel 2014 (altissima mortalità)
• Sars CoV-2 nel 2019/2020

Praticamente tutte hanno avuto origine da uno spillover, ovvero da un salto di specie che li ha fatti passare dall’animale all’uomo. Per combattere queste epidemie le soluzioni sono state l’isolamento e la vaccinazione: per quanto un virus sia virulento, senza un ospite adeguato è solo materiale inerte.

Struttura dei virus

I virus hanno dimensioni molto ridotte: l’unità di misura di riferimento è il nanometro (10^-9m). Rispetto ai batteri (che sono invece nell’ordine dei micrometri (10^-6m) sono decisamente più piccoli. Infatti, per vedere i virus, non è sufficiente un microscopio ottico, ma è necessario un microscopio elettronico.

I virus umani hanno dimensioni comprese tra i 300 e i 20 nm. Tra questi, il più grande è il poxvirus (virus del vaiolo), mentre tra i più piccoli ci sono i parvovirus (20/22 nm). I virus sono costituiti da un genoma di acido nucleico, avvolto da un capside proteico (che ha funzione principalmente protettiva).

Acido nucleico

In base all’acido nucleico che contengono si distinguono:

• Virus a DNA
• Virus a RNA

Inoltre, l’acido nucleico può essere:

• A singola elica (in genere più piccoli; il filamento singolo può essere positivo o negativo)
• A doppia elica (combinazione di un filamento positivo e negativo, a doppia elica)

Si può ulteriormente distinguere l’acido nucleico a seconda che sia:

• Segmentato - favorisce il fenomeno della ricombinazione genica: è più facile che si origini un virus con caratteristiche antigeniche nuove
• Non segmentato

È fondamentale conoscere le caratteristiche dell’acido nucleico contenuto nel virus che consideriamo, perché queste vanno a determinare, almeno in parte, il loro comportamento biologico.

I virus costituiti da un singolo filamento di RNA a polarità positiva (ovvero con sequenza disposta in direzione 5’→3’) hanno una sequenza analoga agli mRNA: questo facilita l’azione del virus, il cui RNA viene usato direttamente come mRNA dal sistema cellulare, e può essere direttamente letto per la sintesi delle proteine virali.

Invece i virus costituiti da un singolo filamento di RNA a polarità negativa (ovvero con sequenza disposta in direzione 3’→5’) devono utilizzare (e veicolare) un enzima, l’RNA-polimerasi RNA-dipendente. Questo enzima usa il filamento negativo come stampo per produrre una molecola di RNA con polarità positiva, che può essere letta come un mRNA dalla cellula ospite.

Proteine

Da un punto di vista quantitativo rappresentano la componente più importante di un virus. La loro presenza è fondamentale per proteggere l’acido nucleico del virus, il quale è particolarmente labile (soprattutto se si tratta di RNA). Hanno quindi principalmente una funzione di protezione del genoma.

Le proteine del capside hanno però anche altre funzioni biologiche, tra cui:

• Funzione antigenica - si tratta di proteine con sequenze specifiche, che vengono riconosciute dal sistema immunitario dell’ospite come proteine non self
• Funzione di adesione o adsorbimento - permettono l’adesione del virus sulla cellula sensibile. Il legame è di solito mediato da un recettore specifico, presente sulla cellula stessa

I virus più semplici sono costituiti solo da acido nucleico e capside proteico. Questi virus sono detti virus nudi. Esistono però anche virus che possiedono una sovrastruttura ulteriore, di natura lipidica, che riveste il capside. Si parla in questo caso di virus rivestiti.

La struttura più esterna lipidica prende il nome di pericapside. Questo pericapside viene plasmato dalla membrana cellulare, ed è per questo composto da lipidi con proteine glicosilate. Le glicoproteine del pericapside possono avere varie funzioni, la più importante delle quali è la mediazione del legame con le cellule sensibili: fungono infatti da anti-recettore specifico.

La differenza fondamentale tra questi due tipi di virus riguarda il fatto che i lipidi superficiali dei virus rivestiti possono essere facilmente inattivati dai solventi dei grassi (per esempio etere e cloroformio), per cui questi sono fondamentalmente più labili. Per questo, per esempio, i virus che causano gastroenteriti infettive (e che quindi devono arrivare all’intestino) sono virus nudi: sono gli unici in grado di attraversare inalterati la barriera gastrica e il suo pH acido.

Tra le glicoproteine maggiormente presenti nei virus rivestiti troviamo l’emoagglutinina e la neuroaminidasi, caratteristiche del virus influenzale. L’emoagglutinina funge da anti-recettore specifico, legando l’acido sialico presente sulle cellule delle mucose delle vie aeree. La neuroaminidasi invece scinde il muco, facilitando l’adesione del virus alla superficie cellulare, a livello degli epiteli delle vie aeree superiori.

Altra glicoproteina importante è la GP120, presente nel virus HIV, che è l’anti-recettore specifico per i recettori CD4 dei linfociti T helper: legando i CD4 distrugge i linfociti, causando immunodepressione.

Morfologie virali

Dal punto di vista morfologico, i virus hanno più o meno una forma rotondeggiante.

In alto a sinistra il virus a DNA poxvirus, ovvero il virus del vaiolo, è l’unico virus mai dichiarato eradicato dall’OMS (1980) grazie alla vaccinazione effettuata a livello mondiale. È piuttosto grande (circa 400nm) ed è l’unico ad avere la caratteristica forma “a mattone”.

In alto a destra l’herpes virus, il virus dell’herpes labiale e della varicella. È anch’esso rivestito con un pericapside di natura lipidica ed ha una forma rotondeggiante.

Nella seconda fila a sinistra è rappresentato un adenovirus, che possiede una morfologia particolare detta icosaedrica, in cui da ognuno dei dodici vertici si diparte una fibra proteica. Grazie al capside icosaedrico si definisce con una morfologia “a satellite”.

Il quarto dell’ultima fila è un rabdovirus, un virus che provoca la rabbia, ha una forma definita “a proiettile”. Per diverso tempo rabdovirus e il virus dell’ebola erano classificati insieme, perché hanno morfologia simile. Entrambi tra l’altro infettano dagli animali. In basso virus nudi, tutti con forme tondeggianti.

Organizzazione delle proteine del capside intorno all'acido nucleico

Le proteine si possono disporre secondo due simmetrie principali. La simmetria serve a semplificare la struttura.

Simmetria elicoidale

È molto semplice, con subunità proteiche sempre uguali e ripetute, “a forma di fagiolo”, con un incavo in cui si inserisce l’acido nucleico. Queste subunità si dispongono in maniera elicoidale.

Hanno simmetria elicoidale:

• Il rabdovirus, caratterizzato anche da una forma particolarmente allungata, con pericapside lipidico
• Il virus dell’influenza, rotondeggiante, con una sorta di frangia glicoproteica
• I paramixovirus (virus del morbillo e parotite)

Simmetria icosaedrica

Le proteine si dispongono a formare un poliedro a dodici vertici intorno all’acido nucleico. Ai vertici ci sono i pentoni, ovvero cinque subunità proteiche, per ogni icosaedro ci sono dodici pentoni. Ogni icosaedro ha poi un numero variabile di esoni, costituiti da sei subunità proteiche. L’unico virus che ha una morfologia diversa è il virus del vaiolo, che ha una simmetria “a mattone”.

Virus a DNA

Hanno quasi tutti una simmetria icosaedrica, a parte il poxvirus, che ha invece simmetria complessa.

Esempi

Il parvovirus è un virus molto piccolo (20 nm). È un virus a DNA di forma rotondeggiante con un capside icosaedrico. Anche i papillomavirus sono virus nudi con capside icosaedrico. L’adenovirus è un virus nudo con DNA a doppio filamento.