Streven. Jaargang 10

[p. 1081]

Virussen en Synthetisch leven
Wetenschappelijke kroniek
Luk Pauwels S.J.

SINDS Dr. Salk de vaccine tegen de kinderverlamming heeft gevonden, is het in brede kringen bekend geworden dat de gevreesde ziekte door een virus veroorzaakt wordt. Welk is dat geheimzinnig personage dat zich bij die andere verwekkers van besmettelijke ziekten, de microben - bacteriën en ééncellige diertjes - is komen voegen? We willen het even van naderbij bekijken: zijn verspreiding, zijn structuur en zijn theoretisch en praktisch belang.

De eerste en baanbrekende onderzoekingen op dit gebied betroffen het geval van de tabakmozaïek. De zieke plant wordt in haar groei geremd en de bladeren vertonen gele, gemarmerde vlekken. Reeds in 1886 ontdekte Mayer het besmettelijk karakter van deze plantenziekte en enkele jaren later beweerde Ivanowski dat de kwaal aan een levend wezen was te wijten, ofschoon het met de gebruikelijke methoden van filtrage niet te vatten was. De tabaksplanten kunnen op zijn minst door vijf verschillende virussen geteisterd worden. Vele andere planten, zoals de tomaat, de aardappel, de komkommer, de raap, de zurkel hebben hun specifieke virusziekten. Bij de dieren vindt men het mond- en klauwzeer, de runderpest, de hoenderpest en vele andere kwalen. Bij de vlinders bijvoorbeeld trof men de veelvlak-ziekte aan: dode rupsen zitten soms vol kristallen met talrijke facetten. Voor de mens vormen zij een indrukwekkende lijst: de mazelen, de bof, de pokken, de waterpokken, de tyfus, de gele koorts, de kinderverlamming, hersenontstekingen, de razernij, de griep en ook de zeer banale verkoudheid. Men heeft reeds herhaaldelijk de hypothese voorgesteld, dat een virus een belangrijke rol zou spelen in de kankers van de mens. Zelfs uiterst kleine wezens als bacteriën hebben zich tegen virussen te verdedigen. In hun lichamen vindt men bacteriofagen, die hun ontbinding bewerken.

Pasteur had het probleem van de generatio spontanea, het ontstaan van levende wezens zonder levenskiem, stevig aangepakt. Leven wordt uit leven geboren, was zijn axioma. De plotselinge proliferatie van bacteriën in voedzame oplossingen was te wijten aan voor het oog onzichtbare kiemen. In gesteriliseerde, hermetisch afgesloten bokalen kwam geen leven tot stand. Onder de microscoop vond hij een hele reeks van uiterst kleine ziekteverwekkers. Na hem werd de bacteriën jacht door onvermoeibare onderzoekers voortgezet. Doch bepaalde ziektefactoren, waarvan men vermoedde dat het levende wezens waren, bleven onzichtbaar bij de sterkste vergroting. Men beschouwde hen als microben van uiterst kleine afmetingen, wat hun toeliet door de nauwste poriën van de filters te glippen. De uitvinding van de elektronenmicroscoop heeft het noman's land van de dimensies tussen die van de bacteriën en die van de atomen en de eenvoudigste moleculen opengesteld. Daar zag en fotografeerde men afzonderlijke virussen en reuzemoleculen. Zulke studies veronderstellen een geweldige vooruitgang in de technieken om de virussen af te zonderen en in zuivere toestand te

[p. 1082]

bekomen. De ultra-centrifugemethode van Svedberg en verbeterde ultrafiltratie-methoden maakten dit mogelijk. Prof. W.M. Stanley, hoofd van het laboratorium voor virusonderzoek aan de California-universiteit te Berkeley, realiseerde het eerst de kristallisatie van het tabakmozaïek-virus. Voor dit pionierswerk werd hem in 1935 de Nobelprijs voor scheikunde toegekend.

Gebied van atomen en eenvoudige moleculen	bestudeerbaar met X-stralen	waterstofmolecule		0,2 mμ
		watermolecule		0,5 mμ
	grootte ca. 0,1 mμ	suikermolecule		0,7 mμ
Gebied van reuzemoleculen en virussen	zichtbaar met elektronenmicroscoop	albumine (een eiwit)		4,3 mμ
		kinderverlamming-virus		8-12 mμ
		tabakmozaïek-virus		12×200 mμ
		geen		20-125 mμ
	groter dan 2 mμ	Staphylococcus bacteriofaag		50-70 mμ
Gebied van micro-organismen	zichtbaar met klassiek microscoop	chromosoom		100-2000 mμ
		Treponema pallidum (bacterie; syfilis)		200 mμ
	groter dan 200 mμ	amoebe (ééncellig diertje)		500 mμ
		Bacterium coli (in dikke darm)		1500 mμ
Gebied van macro-organismen	zichtbaar met het blote oog	mens	1,70 m =	1.700.000 mμ
		walvis (grootste dier)	30 m =	30.000.000 mμ
	groter dan 10.000 mμ	sequoia (hoogste boom)	130 m =	130.000.000 mμ

De afmetingen van de virussen variëren tussen 10 en 300 millimicron (één millimicron is het miljoenste deel van één millimeter). Tien millimicron is slechst honderdmaal de diameter van een atoom. Ter vergelijking geven we hierbij enkele andere afmetingen uit de biologie. De grootste virussen benaderen de afmetingen van de kleinste bacteriën en de kleinste zijn soms kleiner dan de

Brokstuk van een eiwit

grootste eiwitmoleculen. Het is geen wonder dat men hen beschouwt als de overgang tussen de levenloze stof en de levende wezens. Het feit dat ze kristalliseerbaar zijn, doet hen thuishoren bij de mineralen. Maar het vermogen om zich te reproduceren wijst op leven, al is het begrip hier veel armer aan inhoud dan bij een mens of een ander hoger wezen. Deze vermenigvuldiging is echter slechts mogelijk binnen in levende cellen. Niet alleen in afmetingen maar ook in vorm verschillen de virussen sterk van elkaar. Bolletjes en staafjes zijn de gewone gestalten: soms zijn ze zeshoekig bij doorsnede of omringd met een membraan. Zij bezitten dezelfde fysische eigenschappen als andere reuzemoleculen en hun zuivering geschiedt als bij eiwitten. Hun scheikundige samenstelling vooral maakt hen tot een van

[p. 1083]

de belangwekkendste objecten van het biologisch onderzoek. Al de tot nog toe bekende virussen bestaan hoofdzakelijk of uitsluitend uit twee ingewikkelde chemische stoffen: een eiwit en een nucleïnezuur. Elk eiwit is een aaneenschakeling van aminozuren. De nucleïnezuren zijn samengesteld

Brokstuk van een nucleïnezuur

uit nucleotiden, die op hun beurt uit één fosforzuur, één suiker en één organische base bestaan. De structuur van het virus kan men zich zo voorstellen: fijne, aanliggende spiralen van eiwit die een cylinder rond een spil van nucleinezuur vormen. Van de verschillende bouwstenen waaruit een organisme opgetrokken is: water, minerale zouten, suikers, vetten, eiwitten, nucleïnezuren, zijn de laatste twee de belangrijkste. Zij zijn meer dan de andere bestanddelen de levende stof. Typisch is het dat de bacteriën een hoger gehalte aan nucleïne-eiwitten bezitten dan meer gedifferentieerde wezens. Bij de virussen kan men een reeks opstellen gaande van complexe organismen met een hele gamma van stoffen tot de eenvoudigste structuren die uit zuiver nucleïne-eiwit bestaan.

Vorig jaar deed het sensationele nieuws de ronde dat Amerikaanse geleerden leven gesynthetiseerd hadden in proefbuisjes. Twintig jaar na de prestatie van W.M. Stanley reconstrueerden Dr. H.L. Fraenkel-Conrat en Dr. R. Williams aan dezelfde Universiteit van Californië het tabaksmozaïek-virus uit levenloze elementen. De geleerden hadden het virus ontbonden in een licht

Ontbinding van een virus

basische oplossing, (een base is elektrochemisch de antipode van een zuur). Het nucleïnezuur werd daarop afgescheiden van de eiwitten. De beide fragmenten bleken bij injectie inert. Toen men de bestanddelen weer samenbracht in de verhouding 10 eiwit op 1 nucleïnezuur, in een licht zuur milieu, kreeg de oplossing haar hevig besmettelijk karakter weer. Foto's met de elektronenmicroscoop genomen vertoonden de gevormde virussen.

Het is niet gemakkelijk, zich de draagwijdte van deze gebeurtenis te realiseren. Zou vandaag of morgen de eerste artificiële mens uit een van onze laboratoria stappen - een bezielde mens van vlees en bloed, niet een metalen robot - de hele wereld zou ontsteld staan van dit menselijk kunnen. Dat zo iets in

[p. 1084]

principe mogelijk is, werd nu bewezen. Alleen grote leemten in onze biologische kennis en vooral technische moeilijkheden verwijzen de synthese van een hoger wezen naar een verre, misschien niet te bereiken toekomst. Vooreerst zou men moeten weten welke scheikundige stoffen dit organisme opbouwen en welke hun formule is en dit voor alle stoffen, of zij in massale of in uiterst geringe hoeveelheden voorkomen. Verder zou men moeten weten in welke verhoudingen de verschillende stoffen moeten samengevoegd worden en vooral zou men ze elk op haar plaats in de cellen moeten aanbrengen. De toestand was heel anders voor de virussen. Hier had men slechts twee onderdelen, die zich spontaan verenigden en op elkaar pasten als een moer op een schroefbout. Maar men bedenke dat men zelfs voor het intens bestudeerde virus van de tabakmozaïek de nucleïnezuren en de eiwitten nog niet heeft kunnen samenstellen uit eenvoudiger stoffen, omdat men hun bouw slechts in de grote lijnen kent.

Voor kritische geesten blijft er waarschijnlijk een twijfel bestaan omtrent de waarde van dit experiment. Zou het niet voldoende geweest zijn dat slechts één virus aan de ontbinding ontsnapt was en het uitgangspunt was geworden voor een vermenigvuldiging, opdat men de stelling van Pasteur ook voor de virussen zou kunnen behouden? Dank zij een nauwkeurige controle is Fraenkel-Conrat tot het besluit gekomen dat er voor één miljoen werkelijk ontbonden virussen onder de afgescheiden eiwitten ten hoogste één niet ontbonden virus kon voorkomen en er bij de afgescheide nucleïnezuren minder dan dertig niet ontbonden virussen waren. Is dit niet een duidelijke weerlegging? Hoegenaamd niet, want de besmettelijkheid was 100.000 maal sterker dan men kon verwachten als gevolg van een vermenigvuldiging van de niet vernietigde virussen. Men moet wel concluderen dat hier een synthese van virussen plaats heeft gehad.

Eens te meer voelt de bioloog zich in zijn overtuiging gesterkt dat een wetenschappelijke verklaring van de organismen enkel een beroep mag doen op de scheikundige en fysische eigenschappen van de bestanddelen en geen supplementair levensprincipe nodig heeft om die wezens de adem in te blazen.

Dit was niet de eerste stap om de vermoedelijke weg van de evolutie weer op te gaan. In 1953 kwam een jong student, S.L. Miller, op het idee om een hypothese van zijn professor met een experiment te testen. Prof. H. Urey, een andere Nobelprijs voor scheikunde, had in een van zijn colleges aan de Universiteit van Chicago gesuggereerd dat men zich de atmosfeer van de aarde in het begin van haar bestaan mocht voorstellen als een samenstelling van methaan (CH₄), ammoniak (NH₃), waterstof (H₂) en waterdamp (H₂O). Het zijn immers deze gassen die nu nog de atmosfeer van Jupiter en Saturnus uitmaken naar de analyse van hun lichtspectrum. In het begin van de geologische tijd moeten de geweldige ontladingen van onweders, gevolgen van de ioniserende zonnestralen, voldoende geweest zijn om deze gassen in meer complexe organische stoffen, vooral in aminozuren om te vormen. S.L. Miller verhitte een mengsel van genoemde gassen gedurende een week in een afgesloten kringloop en liet er elektrische ontladingen op inwerken. Bij analyse van het water bleek het dat er suikers en een twintigtal aminozuren gevormd waren¹⁾. Het rendement was miniem, maar toch was het een prachtig resultaat. Indien de veronderstelling van Urey over de samenstelling van de atmosfeer op de primitieve aarde even-

1) Deze gebeurtenis werd hier reeds besproken door Dr. De Ceuster in het artikel ‘Autogenese in het laboratorium?’, Streven, jrg. 8, deel I, 1954, pp. 256-259.

[p. 1085]

eens kan geverifieerd worden, is het ontstaan van leven zeer waarschijnlijk volgens dit schema verlopen. De waarde van Millers experiment ligt niet in het feit dat hij aminozuren synthetiseerde - anderen hadden dat reeds vóór hem gedaan langs de weg van opeenvolgende en gerichte reacties - maar hierin dat hij de primitieve aardatmosfeer nabootste en de warboel van natuurkrachten vrij spel liet. De verdere spontane vereniging van aminozuren tot een eiwit en van suikers, basen en fosforzuur tot een nucleïnezuur schijnt niet zo onmogelijk.

De grote overeenkomst in structuur van de virussen en de chromosomen dringt zich op. Chromosomen zijn de staaf- of lintvormige lichaampjes, die zichtbaar worden in de cellen van praktisch alle levende wezens op het ogenblik van de kern- en celdeling. Zij zijn de voornaamste en bestgekende dragers van de erfelijkheid. Ook zij zijn samengesteld uit eiwitten en nucleïnezuren. Men zou de virussen kunnen beschouwen als genen, als stukjes van chromosomen, die hun verband met een stel chromosomen en een cytoplasma, het andere bestanddeel van de levende celinhoud, hebben opgegeven en hun eigen leven zijn gaan leiden ten koste van de cellen die zij parasiteren. De virusmoleculen kunnen hun eigen structuur verdubbelen. Daarin gelijken zij weer op de chromosomen die langs hun lengte een aan hen identieke structuur opbouwen en ze daarna afstoten, zodat elke cel een zelfde aantal chromosomen met dezelfde erfelijke mogelijkheden toebedeeld krijgt.

De bestendigheid der eigenschappen is de grondtoon in het leven van de soorten, maar nu en dan treden er bruuske veranderingen op: de mutaties. Diezelfde fenomenen heeft men ook bij sommige virussen kunnen constateren. Zulke omvormingen zijn het gevolg van een herrangschikking van de tweeëntwintig verschillende aminozuren in de eiwitten en van de vier soorten nucleotiden in de nucleïnezuren. De plaatsing van deze elementen in een vaste volgorde en de herhaling van groepen geven ontelbare combinatiemogelijkheden. Of men met een tulp of met een roos zal te doen hebben, wordt op dit niveau bepaald.

Van eenzelfde virus bestaan er vele linies. Voor het mozaïekvirus van de tabak heeft men een vierhonderd-tal van zulke linies geïsoleerd, elk gekenmerkt door een verschillende graad van besmettelijkheid en een stel fysico-chemische eigenschappen. Dr. Burnett, een Australisch viroloog, besmette eenzelfde kippenei met twee verschillende linies van een griepvirus. Toen hij daarop een extractie deed, vond hij een ‘hybride’ virus, dat kenmerken van beide ouders droeg. Men veronderstelt dat gedurende het vermenigvuldigingsproces onderdelen loskomen en uitgewisseld worden. Een analoge hybridisatie realiseerde dezelfde Dr. Fraenkel-Conrat in zijn proefbuisjes. De eiwitten van linie A werden samengebracht met de nucleïnezuren van B en andersom. Kruisingen, zoals Mendel ze realiseerde met twee erwtenrassen, en zoals genetici ze sinds vijfentwintig jaar met talrijke rassen en zelfs soorten proberen, werden hier met de eenvoudigste en laagst georganiseerde wezens uitgevoerd.

Een beter inzicht in de elementaire processen zal ook een grote vooruitgang betekenen voor de strijd tegen de virusziekten. Reeds bereidt men zich voor om virulente virussen te bestrijden met verwante onschadelijke vormen van dezelfde soort. Het wordt ook mogelijk, genen van één soort over te brengen in een andere of zelfs gesynthetiseerde genen in te lassen. De zoö- en fytotechniek zal dan een explosie van nieuwe groepen zien ontstaan.