Effetti collaterali della vita (1)

 

Fabio Fantini

 

Mi sarebbe piaciuto suggerire questo titolo a George Perec, se lo avessi incontrato nell’arco di tempo in cui entrambi siamo stati in vita (e lui avesse avuto voglia di dare ascolto a uno sciocco importuno). Visto, però, che quell’intersezione si è conclusa da qualche decennio, ne farò un uso meno elevato per questa divagazione sui virus.

Anche se, in questo periodo di pandemia, tutti sappiamo ormai come è fatto un virus e come si riproduce, vorrei ripeterlo per sottolineare alcune caratteristiche di questi oggettini biologici (tra breve tornerò su questa definizione). Un generico virus è formato da un filamento di acido nucleico protetto da un astuccio proteico che prende il nome di capside. Poiché il tratto distintivo della biologia è la sconfinata variabilità dei suoi oggetti di studio, non ci sorprenderà sapere che esistono virus di praticamente ogni tipo concepibile. E ciò grazie alle combinazioni delle molteplici variazioni con cui possono presentarsi i pochi componenti della semplice struttura virale. Ecco così, per limitarci ai parametri principali, che l’acido nucleico può essere dna o rna, a filamento singolo o doppio; e, se il filamento è singolo, la successione orientata dei nucleotidi può essere senso o antisenso; mentre le proteine che formano il capside possono formare strutture tridimensionali a simmetria icosaedrica, elicoidale oppure assemblarsi in modo asimmetrico; a volte il capside può contenere anche un enzima chiamato trascrittasi inversa, a volte può inglobare lipidi, altre volte può addirittura essere assente. Questo parziale elenco serve giusto per dare un’idea, preferisco lasciare all’appassionato entusiasmo dei virologi ogni ulteriore approfondimento in materia.

In termini di dimensioni lineari, un tipico virus è circa cento volte più piccolo di una cellula batterica e circa mille volte più piccolo di una cellula eucariotica. Ciò significa che, in termini di volume, servono diecimila virus per pareggiare il volume (e la massa) di una cellula procariotica; e che ne servono un milione per fare pari con una cellula eucariotica.

 

A questo punto sarà diventato chiaro l’uso del diminutivo «oggettini», ma perché ricorrere a un appellativo diverso da sistemi viventi? Se sono biologici, qualcosa a che fare con la vita i virus ce l’hanno. O no? Certo che ce l’hanno, ma non tanto da consentire una identificazione completa con i sistemi viventi. Detto nei termini più concisi possibili, i virus sono fatti di molecole biologiche, si riproducono, ma sono privi di metabolismo.

 

Figura 1 – Un tipico virus a RNA che infetta cellule eucariotiche. L’emoagglutinina è una proteina che aderisce specificamente ai recettori cellulari. La neuroaminidasi è una proteina capace di favorire la penetrazione del virus nella cellula. fonte 

 

L’assenza di metabolismo potrebbe provocare un moto di compassione e farci pensare ai virus come sfortunati, lontani parenti minorati di noi sistemi viventi a pieno titolo. Provate a considerare, però, anche i vantaggi di non avere un metabolismo. Solo per dirne una, buio, freddo, mancanza di cibo vi farebbero un baffo. Potreste mantenere indefinitamente l’integrità della vostra struttura, magari aggregati con miliardi di altre copie simili a voi in una forma a tutti gli effetti cristallina, caratterizzata dalla regolare ripetizione spaziale delle unità fondamentali (una delle quali sareste voi, come avrete capito). Con la pazienza tipica dei cristalli, confidando di non essere investiti da radiazioni ad alta frequenza né di capitare in un ambiente troppo caldo, potreste aspettare il momento opportuno. Già, opportuno per che cosa? Ma per riprodurvi, ovviamente! Non mi dite che, persi nella placida successione ordinata di piani e filari del cristallo ve ne eravate dimenticati!

Se foste veramente un virus, a parte il fatto che non perdereste tempo a leggere queste righe, a questo punto comincereste a chiedervi come potete riprodurvi, dato che siete privi di metabolismo. Perché essere un oggettino biologico ha i suoi vantaggi, va bene, ma mica si può esagerare con l’inerzia cristallina. La soluzione è a portata di mano, coraggio! Basta trovare qualcuno dotato di metabolismo che faccia il lavoro per voi. Certo, dovrete opportunamente convincere il vostro ospite, ma, come si dice, non si servono pasti gratis, occorre darsi da fare e rinunciare a qualcosa. Nel vostro caso, il qualcosa è rappresentato dal capside, che lascerete sulla superficie esterna o demolirete all’interno dell’ospite prescelto (o meglio, dell’ospite al quale le proteine del vostro capside vi hanno permesso di aderire) dopo che avrà svolto il proprio ruolo di fare penetrare all’interno dell’ospite l’acido nucleico, eventualmente accompagnato da qualche proteina di supporto (figura 1).

 

Nella cellula ospite troverete l’ambiente molto più vivace che nel cristallo nel quale avete trascorso il periodo precedente. Il vostro acido nucleico si troverà come a casa propria: potrà scegliere se darsi da fare subito a comandare enzimi e ribosomi per utilizzare tutto quel bendidio presente nella cellula e formare copie di se stesso insieme a nuovi capsidi pronti ad accogliere queste copie; oppure se inserirsi comodamente all’interno del dna dell’ospite, farsi un metaforico sonnellino lungo anche qualche generazione, per poi tirarsene fuori e iniziare la propria attività quando sarà il caso. E anche se il vostro acido nucleico avesse scelto la pigra strada dell’inserimento nel dna ospite, a riprodurlo nel frattempo penserebbe l’ospite stesso: a ogni divisione cellulare, ciascuna delle cellule figlie riceverebbe una copia completa del dna genitoriale, dna virale compreso.

Purtroppo, quando vi riproducete all’interno della cellula ospite le sottraete molecole essenziali per il suo metabolismo, e non le farete un gran bene. Come accennato poco sopra, però, tutto ha un prezzo, e meglio che a pagarlo sia il vostro pur cortese ospite piuttosto che voi. Dalla cellula infettata, che in genere muore o rimane comunque danneggiata, i vostri discendenti sono pronti a riprendere il ciclo infettivo e questo è ciò che conta.

 

La breve descrizione della riproduzione virale che ha occupato le righe precedenti ci porta a una considerazione e a una domanda. Andiamo con ordine. La considerazione riguarda la difficoltà definitoria posta dai virus: sono o non sono sistemi viventi? Dovrebbe essere chiaro che, come spesso succede, le difficoltà andiamo a cercarle con la nostra smania di categorizzazioni perentorie. Con qualche presunzione, riteniamo che le categorie mentali da noi usate per assegnare etichette agli oggetti della nostra conoscenza corrispondano, per dirla con Richard Boyd [1], alla struttura causale del mondo, cioè alle sue articolazioni profonde. Ci comportiamo un po’ come quando, osservando un territorio, individuiamo un confine in corrispondenza di una valle o di un crinale e ignoriamo che in profondità una faglia tettonica taglia quello stesso territorio in modo diverso. La distinzione netta che tracciamo tra viventi e non viventi non ha un corrispettivo equivalente nelle articolazioni del mondo naturale, come i virus stanno impietosamente a dimostrarci.

La domanda riguarda l’origine dei virus. Ormai è chiaro che i nostri «oggettini biologici» sono parassiti perfetti. Equipaggiamento ridotto al minimo essenziale, massimo risultato riproduttivo con il minimo sforzo metabolico, cioè zero (tanto lo fanno altri). Da dove vengono, allora, i virus? La loro struttura minimale fa pensare a un prodotto dell’evoluzione prebiotica, più antico delle prime cellule. D’altra parte, l’impossibilità di riprodursi in assenza di cellule contrasta con questa possibilità. Attualmente sono in discussione tre ipotesi principali, che elenco di seguito.

Ipotesi «dell’origine antica». I virus risalirebbero a prima dell’antenato comune di tutti i viventi. In particolare ci sarebbe stata una fase di evoluzione pre-cellulare di elementi genetici primordiali, in grado di autoreplicarsi, da cui successivamente si sarebbero evolute sia le cellule sia i virus. I virus primitivi si sarebbero quindi formati prima delle prime cellule, delle quali in seguito sarebbero diventati parassiti.

Ipotesi «della fuga». I virus deriverebbero da acidi nucleici «sfuggiti» da cellule e che si sarebbero poi evoluti indipendentemente. I virus potrebbero essere derivati da elementi genetici cellulari, come plasmidi o trasposoni, per i virus a dna, e mrna o retrotrasposoni per i virus a rna. Questi elementi genetici sarebbero poi diventati in grado di codificare la sintesi di un rivestimento proteico e di sfruttare le cellule per replicarsi.

Ipotesi «regressiva». I virus sarebbero forme degenerate di cellule originate da batteri parassiti endocellulari (come le clamidie) che si sono evoluti perdendo le caratteristiche cellulari e acquisendo sempre maggiore dipendenza dalla cellula ospite.

 

 

Figura 2 – Il lago antartico in cui è stato rinvenuto il batterio Halorubrum lacusprofundi, contenente il plasmide pR1SE. fonte

 

I dati attualmente disponibili indicano che i virus più antichi risalgono ad almeno tre miliardi di anni fa, ma non gettano luce sui periodi precedenti. Qualche elemento in più è giunto pochi anni fa grazie alla scoperta di un plasmide, chiamato con la sigla pR1SE, presente in un archebatterio antartico (figura 2) (Halorubrum lacusprofundi, per la cronaca). [2] pR1SE codifica per proteine che si trovano nella membrana di vescicole che racchiudono il plasmide stesso. Le vescicole fuoriescono dalla cellula e sono capaci di infettare archebatteri di altri ceppi privi del plasmide, i quali a loro volta diventano capaci di produrre le vescicole che trasportano pR1SE. Il plasmide pR1SE può integrarsi nel genoma dell’ospite, essere replicato con la divisione cellulare e poi staccarsi dal cromosoma batterico trascinandone con sé alcuni frammenti, formare nuove vescicole e trasferirsi a nuovi ospiti. Non può sfuggire la somiglianza del comportamento di pR1SE con quello dei virus, un forte indizio a supporto della connessione evolutiva tra plasmidi e virus sostenuta dall’ipotesi «della fuga».

 

La ben nota e ironica (almeno fino a un certo punto!) Legge di Murphy («Se qualcosa può andare male, prima o poi lo farà») sembra pensata su misura per i virus. I processi selettivi favoriscono, ciecamente ma ineluttabilmente, l’emergere delle strategie più efficienti. Per un parassita, maggiore efficienza significa massimo potenziale riproduttivo con il minimo costo energetico. I danni per l’ospite non sono conteggiati in questo bilancio.

L’evoluzione di parassiti perfetti come i virus è un evento obbligato nella biosfera, un effetto collaterale inevitabile della vita. A volte, parafrasando Voltaire, si usa l’espressione «se non ci fosse stato, sarebbe stato necessario inventarlo» per riferirsi a un oggetto o a una persona ritenuto indispensabile. Per i virus, si potrebbe affermare che, se non fossero esistiti, si sarebbero comunque evoluti, prima o poi, perché i meccanismi stessi della vita, selezione naturale in testa, favoriscono la comparsa della nicchia ecologica dei parassiti ametabolici.

 

 

Figura 3 - La biomassa della biosfera ripartita nei sei regni dei viventi più i virus. fonte: Bar-On Y M.,  Phillips R, Milo R, The biomass distribution on Earth, PNAS 115 (25), 6506-6511, 2018 

 

Quale sia stata l’origine dei virus, ammesso che sia stata unica (la Legge di Murphy può applicarsi contemporaneamente in più contesti), il legame dei virus con il mondo dei viventi è indissolubile. Un aspetto di questo legame è fornito dai processi di coevoluzione che interessano i virus e i loro ospiti, resi evidenti dalla graduale convergenza della letalità dell’infezione e della resistenza degli ospiti verso una condizione di equilibrio di media morbilità. Un secondo aspetto, spesso trascurato ma non meno importante, consiste nella rilevante presenza di dna virale nel genoma degli ospiti. Il genoma umano, per esempio, contiene circa l’8% di dna virale [3], in gran parte derivato da eredità ancestrali.

Presenza e ruolo dei virus nella biosfera non sono affatto trascurabili. Secondo le stime più accreditate [4], ai virus sono ascritte 0,2 Gt C (giga tonnellate di Carbonio), circa lo 0,04% del totale (figura 3). Se sembra una porzione trascurabile, tenete presente che la biomassa della specie umana conta per poco meno di un terzo di quella virale. La presenza dei virus in tutti gli ecosistemi [5]è stata pienamente apprezzata solo in tempi recenti e ha messo in evidenza il loro ruolo nella velocizzazione del ciclo della materia e nell’andamento dei cicli biogeochimici. [6]

 

 

 

Note

 

[1] Boyd R, Metaphor and theoroy change: what is ‘Metaphor’ a metaphor for?, in Metaphor and thought, edited by Ortony A. Cambridge University Press, 1979 (traduzione italiana in Boyd R, Kuhn T S, La metafora nella scienza, Giangiacomo Feltrinelli Editore, 1983)

[2] Erdmann S, Tschitschko B, Zhong L, Raftery M J, Cavicchioli R, A plasmid from an Antarctic haloarchaeon uses specialized membrane vesicles to disseminate and infect plasmid-free cells, Nature Microbiology volume 2, 1446–1455, 2017

[3] Halo Wildschutte J, Williams Z H, Montesion M, Subramanian R P, Kidd J M, Coffin J M, Discovery of unfixed endogenous retrovirus insertions in diverse human population, Pnas, Published Online, 2016.

[4] Bar-On Y M.,  Phillips R, Milo R, The biomass distribution on Earth, PNAS 115 (25), 6506-6511, 2018

[5] Danovaro R, Dell'Anno A, Corinaldesi C, Magagnini M, Noble R, Tamburini C, Weinbauer M, Major viral impact on the functioning of benthic deep-sea ecosystems. Nature 454: 1084-1087, 2008

[6] Wilhelm S W, Suttle C A, Viruses and Nutrient Cycles in the Sea: Viruses play critical roles in the structure and function of aquatic food webs, BioScience, Volume 49, Issue 10, 781–788, 1999