Mikrobiologie

Trotz ihrer geringen Größe, die sie daran hinderte, mit Lichtmikroskopen gesehen zu werden, stammt die Entdeckung einer filterbaren Komponente, die kleiner ist als ein Bakterium, das die Tabakmosaikkrankheit (TMD) verursacht, aus dem Jahr 1892. Zu dieser Zeit entdeckte Dmitri Ivanovski, ein russischer Botaniker, die TMD-Quelle mithilfe eines Porzellanfiltergeräts, das 1884 von Charles Chamberland und Louis Pasteur in Paris erfunden wurde. Porzellankammerfilter haben eine Porengröße von 0,1 µm, die klein genug ist, um alle Bakterien ≥0,2 µm von Flüssigkeiten zu entfernen, die durch das Gerät geleitet werden., Ein Extrakt aus TMD-infizierten Tabakpflanzen wurde hergestellt, um die Ursache der Krankheit zu bestimmen. Anfangs galt die Quelle der Krankheit als bakteriell. Es war für alle überraschend, als Ivanovski mit einem Chamberland-Filter feststellte, dass die Ursache für TMD nach dem Passieren des Extrakts durch den Porzellanfilter nicht beseitigt wurde. Wenn also ein Bakterium nicht die Ursache für TMD war, was könnte die Krankheit verursachen? Ivanovski kam zu dem Schluss, dass die Ursache für TMD ein extrem kleines Bakterium oder eine Bakterienspore sein muss., Andere Wissenschaftler, darunter Martinus Beijerinck, untersuchten weiterhin die Ursache von TMD. Es war Beijerinck im Jahr 1899, der schließlich zu dem Schluss kam, dass der Erreger kein Bakterium, sondern möglicherweise eine Chemikalie war, wie ein biologisches Gift, das wir heute als Toxin beschreiben würden. Infolgedessen wurde das Wort Virus, lateinisch für Gift, verwendet, um die Ursache von TMD einige Jahre nach Ivanovskis erster Entdeckung zu beschreiben., Obwohl er das Virus, das TMD verursachte, nicht sehen konnte und nicht erkannte, dass die Ursache kein Bakterium war, wird Ivanovski als ursprünglicher Entdecker von Viren und Begründer des Bereichs der Virologie angesehen.

Heute können wir Viren mit Elektronenmikroskopen sehen (Abbildung 1) und wir wissen viel mehr über sie. Viren sind unterschiedliche biologische Einheiten; Ihr evolutionärer Ursprung ist jedoch immer noch Spekulationssache. In Bezug auf die Taxonomie sind sie nicht im Baum des Lebens enthalten, da sie azellulär sind (nicht aus Zellen bestehen)., Um zu überleben und sich zu vermehren, müssen Viren einen zellulären Wirt infizieren, wodurch sie intrazelluläre Parasiten verpflichten. Das Genom eines Virus tritt in eine Wirtszelle ein und leitet die Produktion der viralen Komponenten, Proteine und Nukleinsäuren, die zur Bildung neuer Viruspartikel, Virionen, benötigt werden. Neue Virionen werden in der Wirtszelle durch Zusammenbau viraler Komponenten hergestellt. Die neuen Virionen transportieren das virale Genom in eine andere Wirtszelle, um eine weitere Infektionsrunde durchzuführen. Tabelle 1 fasst die Eigenschaften von Viren.

Tabelle 1., Eigenschaften von Viren

Infektiöse, azelluläre Pathogene

Obligate intrazelluläre Parasiten mit Wirts-und Zelltypspezifität

DNA oder RNA-Genom (niemals beides)

Das Genom ist von einem Proteinkapsid umgeben und in einigen Fällen von einer Phospholipidmembran, die mit viralen Glykoproteinen besetzt ist

Fehlen Gene für viele Produkte, die für eine erfolgreiche Reproduktion benötigt werden, erfordert die Ausnutzung von Wirtszellgenomen zur Reproduktion

Wirte und Virusübertragung

Viren können jede Art von Wirtszelle infizieren, einschließlich derjenigen von Pflanzen, Tieren, Pilzen, Protisten, Bakterien und Archaeen. Die meisten Viren können nur die Zellen einer oder einiger Organismenarten infizieren. Dies wird als Hostbereich bezeichnet. Es ist jedoch nicht üblich, einen großen Hostbereich zu haben, und Viren infizieren normalerweise nur bestimmte Hosts und nur bestimmte Zelltypen innerhalb dieser Hosts. Die Viren, die Bakterien infizieren, werden Bakteriophagen oder einfach Phagen genannt. Das Wort Phage kommt vom griechischen Wort für Verschlingen., Andere Viren werden nur durch ihre Wirtsgruppe identifiziert, wie Tier-oder Pflanzenviren. Sobald eine Zelle infiziert ist, können die Auswirkungen des Virus je nach Virustyp variieren. Viren können abnormales Wachstum der Zelle oder Zelltod verursachen, das Genom der Zelle verändern, oder verursachen wenig spürbare Wirkung in der Zelle.

Viren können durch direkten Kontakt, indirekten Kontakt mit Fomites oder durch einen Vektor übertragen werden: ein Tier, das einen Erreger von einem Wirt auf einen anderen überträgt., Arthropoden wie Mücken, Zecken und Fliegen sind typische Vektoren für Viruserkrankungen und können als mechanische Vektoren oder biologische Vektoren wirken. Mechanische Übertragung tritt auf, wenn der Arthropode einen viralen Erreger an der Außenseite seines Körpers trägt und ihn durch physischen Kontakt an einen neuen Wirt überträgt. Die biologische Übertragung erfolgt, wenn der Arthropode den Viruserreger in seinem Körper trägt und ihn durch Beißen auf den neuen Wirt überträgt.

Beim Menschen kann eine Vielzahl von Viren verschiedene Infektionen und Krankheiten verursachen., Einige der tödlichsten aufkommenden Krankheitserreger beim Menschen sind Viren, aber wir haben nur wenige Behandlungen oder Medikamente, um mit Virusinfektionen umzugehen, was es schwierig macht, sie auszurotten.

Viren, die von einem Tierwirt auf einen menschlichen Wirt übertragen werden können, können Zoonosen verursachen. Zum Beispiel stammt das Vogelgrippevirus von Vögeln, kann aber beim Menschen Krankheiten verursachen. Umgekehrte Zoonosen werden durch die Infektion eines Tieres durch ein Virus verursacht, das von einem Menschen stammt.,

Virusstrukturen

Im Allgemeinen sind Virionen (Viruspartikel) klein und können nicht mit einem normalen Lichtmikroskop beobachtet werden., Sie sind viel kleiner als prokaryotische und eukaryotische Zellen; Dies ist eine Anpassung, die es Viren ermöglicht, diese größeren Zellen zu infizieren (siehe Abbildung 2). Die Größe eines Virions kann von 20 nm bei kleinen Viren bis zu 900 nm bei typischen, großen Viren reichen (siehe Abbildung 3). Jüngste Entdeckungen haben jedoch neue riesige Virusarten wie Pandoravirus salius und Pithovirus sibericum identifiziert, deren Größe sich der einer Bakterienzelle nähert.

Nach der Entwicklung des Elektronenmikroskops kristallisierte Wendell Stanley 1935 als erster Wissenschaftler die Struktur des Tabakmosaikvirus und entdeckte, dass es aus RNA und Protein besteht. 1943 isolierte er das Influenza-B-Virus, das zur Entwicklung eines Influenza-Impfstoffs (Grippe) beitrug. Stanleys Entdeckungen enthüllten das Geheimnis der Natur von Viren, die Wissenschaftler seit über 40 Jahren verwirrt hatten, und seine Beiträge auf dem Gebiet der Virologie führten dazu, dass er 1946 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.,

Als Ergebnis der kontinuierlichen Erforschung der Natur von Viren wissen wir jetzt, dass sie aus einer Nukleinsäure (entweder RNA oder DNA, aber niemals beides) bestehen, die von einer Proteinhülle namens Capsid umgeben ist (siehe Abbildung 4). Das Innere des Kapsids ist nicht wie in einer Zelle mit Cytosol gefüllt, sondern enthält die bloßen Notwendigkeiten in Bezug auf Genom und Enzyme, die zur Steuerung der Synthese neuer Virionen erforderlich sind. Jedes Capsid besteht aus Proteinuntereinheiten, die als Capsomere bezeichnet werden und aus einer oder mehreren verschiedenen Arten von Capsomerproteinen bestehen, die sich zu dem dicht gepackten Capsid zusammenschließen.,

Es gibt zwei Kategorien von Viren, die auf der allgemeinen Zusammensetzung basieren. Viren, die nur aus einer Nukleinsäure und einem Kapsid gebildet werden, werden als nackte Viren oder nicht umhüllte Viren bezeichnet. Viren, die mit einem nukleinsäure-verpackten Kapsid gebildet werden, das von einer Lipidschicht umgeben ist, werden als umhüllte Viren bezeichnet (siehe Abbildung 4). Die Virushülle ist ein kleiner Teil der Phospholipidmembran, der als Virionknospen aus einer Wirtszelle erhalten wird. Die Virushülle kann entweder intrazellulären oder zytoplasmatischen Ursprungs sein.,

Bei einigen nackten Viren und umhüllten Viren, die sich nach außen und weg vom Kapsid erstrecken, handelt es sich um Proteinstrukturen, die Spikes genannt werden. An den Spitzen dieser Spikes befinden sich Strukturen, die es dem Virus ermöglichen, sich zu binden und in eine Zelle einzudringen, wie die Influenzavirus-Hämagglutinin-Spikes (H) oder Enzyme wie die Neuraminidase (N) – Influenzavirus-Spikes, die es dem Virus ermöglichen, sich während der Freisetzung neuer Virionen von der Zelloberfläche zu lösen. Influenzaviren werden oft durch ihre H-und N-Spikes identifiziert., Zum Beispiel waren H1N1-Influenzaviren für die Pandemien 1918 und 2009, H2N2 für die Pandemie 1957 und H3N2 für die Pandemie 1968 verantwortlich.

Viren variieren in der Form ihrer Kappen, die entweder helikal, polyedrisch oder komplex sein können. Ein helikales Kapsid bildet die Form des Tabakmosaikvirus (TMV), eines nackten helikalen Virus, und des Ebola-Virus, eines umhüllten helikalen Virus., Das Kapsid ist zylindrisch oder stabförmig, wobei das Genom genau in die Länge des Kapsids passt. Polyedrische Kapsiden bilden die Formen von Poliovirus und Rhinovirus und bestehen aus einer Nukleinsäure, die von einem polyedrischen (vielseitigen) Kapsid in Form eines Ikosaeders umgeben ist. Ein ikosaedrisches Kapsid ist eine dreidimensionale, 20-seitige Struktur mit 12 Eckpunkten. Diese Kappen ähneln etwas einem Fußball. Sowohl helikale als auch polyedrische Viren können Umschläge haben., Virale Formen, die bei bestimmten Arten von Bakteriophagen wie T4-Phagen und Poxviren wie dem Vaccinia-Virus auftreten, können Merkmale sowohl polyedrischer als auch helikaler Viren aufweisen, sodass sie als komplexe virale Form beschrieben werden (siehe Abbildung 5). In der Bakteriophagen-Komplexform befindet sich das Genom innerhalb des polyedrischen Kopfes und die Hülle verbindet den Kopf mit den Schwanzfasern und Schwanzstiften, die dem Virus helfen, sich an Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle zu befestigen. Poxviren, die komplexe Formen haben, sind oft ziegelförmig, mit komplizierten Oberflächeneigenschaften, die in den anderen Kategorien von Kapsiden nicht zu sehen sind.,

Klassifikation und Taxonomie von Viren

Obwohl Viren nicht in die drei Lebensbereiche klassifiziert sind, sind ihre Zahlen groß genug, um eine Klassifizierung zu erfordern. Seit 1971 hat die Abteilung Virologie der International Union of Microbiological Societies dem Internationalen Komitee für Taxonomie von Viren (ICTV) die Aufgabe übertragen, eine universelle Virustaxonomie zu entwickeln, zu verfeinern und aufrechtzuerhalten., Da Viren so schnell mutieren können, kann es schwierig sein, sie unter Verwendung des binomialen Nomenklatursystems in eine Gattung und ein Artepitheton zu klassifizieren. So klassifiziert das virale Nomenklatursystem des ICTV Viren in Familien und Gattungen basierend auf viraler Genetik, Chemie, Morphologie und Multiplikationsmechanismus. Bis heute hat das ICTV bekannte Viren in sieben Ordnungen, 96 Familien und 350 Gattungen klassifiziert. Virale Familiennamen enden mit –viridae (z. B. Parvoviridae) und Gattungsnamen enden mit −Virus (z. B. Parvovirus). Die Namen von viralen Ordnungen, Familien und Gattungen sind alle kursiv geschrieben., Wenn wir uns auf eine Virusart beziehen, verwenden wir häufig einen Gattungs-und Artenepitheton wie Pandoravirus dulcis oder Pandoravirus salius.

Das Baltimore-Klassifizierungssystem ist eine Alternative zur ICTV-Nomenklatur. Das Baltimore-System klassifiziert Viren nach ihren Genomen (DNA oder RNA, Einzel-versus doppelsträngig und Replikationsmodus). Dieses System schafft somit sieben Gruppen von Viren, die gemeinsame Genetik und Biologie haben.

Abgesehen von formalen Systemen der Nomenklatur werden Viren häufig informell in Kategorien eingeteilt, die auf Chemie, Morphologie oder anderen Merkmalen basieren, die sie gemeinsam haben. Kategorien können nackte oder umhüllte Struktur, einzelsträngige (ss) oder doppelsträngige (ds) DNA oder ss-oder ds-RNA-Genome, segmentierte oder nicht segmentierte Genome und Positiv-Strang − ( + ) oder Negativ-Strang – ( – ) RNA umfassen. Zum Beispiel können Herpesviren als dsDNA-umhülltes Virus klassifiziert werden; Human Immunodeficiency Virus (HIV) ist ein +ssRNA-umhülltes Virus und Tabakmosaikvirus ist ein +ssRNA-Virus., Andere Merkmale wie Wirtsspezifität, Gewebespezifität, Kapsidform und spezielle Gene oder Enzyme können ebenfalls verwendet werden, um Gruppen ähnlicher Viren zu beschreiben. Tabelle 2 listet einige der häufigsten Viren auf, die menschliche Krankheitserreger nach Genomtyp sind.

Tabelle 2.,agic fever Togaviridae Rubivirus Rubella Retroviridae Lentivirus Acquired immune deficiency syndrome (AIDS) −ssRNA, enveloped Filoviridae Zaire Ebolavirus Hemorrhagic fever Orthomyxoviridae Influenzavirus A, B, C Flu Rhabdoviridae Lyssavirus Rabies

Klassifikation von Viruserkrankungen

Während das ICTV mit der biologischen Klassifikation von Viren beauftragt wurde, spielte es auch eine wichtige Rolle bei der Klassifikation von durch Viren verursachten Krankheiten. Um die Verfolgung von virusbedingten menschlichen Krankheiten zu erleichtern, hat das ICTV Klassifikationen erstellt, die mit der Internationalen Klassifikation von Krankheiten (ICD) in Verbindung stehen, der Standardtaxonomie von Krankheiten, die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) gepflegt und aktualisiert wird., Der ICD weist jeder Art von Virusinfektion sowie allen anderen Arten von Krankheiten, Erkrankungen und Todesursachen einen alphanumerischen Code mit bis zu sechs Zeichen zu. Dieser ICD-Code wird in Verbindung mit zwei anderen Kodierungssystemen (der aktuellen Verfahrensterminologie und dem Healthcare Common Procedure Coding System) verwendet, um die Patientenbedingungen für die Behandlung und die Versicherungserstattung zu kategorisieren.,

Wenn ein Patient beispielsweise eine Behandlung für eine Virusinfektion sucht, werden ICD-Codes routinemäßig von Ärzten verwendet, um Labortests anzuordnen und Behandlungen zu verschreiben, die spezifisch für das Virus sind, bei dem der Verdacht besteht, die Krankheit zu verursachen. Dieser ICD-Code wird dann von medizinischen Laboratorien verwendet, um Tests zu identifizieren, die zur Bestätigung der Diagnose durchgeführt werden müssen. Der ICD-Code wird vom Gesundheitsmanagementsystem verwendet, um zu überprüfen, ob alle durchgeführten Behandlungen und Laborarbeiten für das gegebene Virus geeignet sind., Medizinische Codierer verwenden ICD-Codes, um den richtigen Code für durchgeführte Verfahren zuzuweisen, und medizinische Rechnungssteller wiederum verwenden diese Informationen, um Erstattungsansprüche von Versicherungsunternehmen zu bearbeiten. Vital-Records Keeper verwenden ICD-Codes Todesursache auf Sterbeurkunden aufzuzeichnen, und Epidemiologen ICD-Codes verwendet, um Morbiditäts-und Sterblichkeitsstatistiken zu berechnen.