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Biologia per il liceo/Introduzione ai virus

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Un virus è un minuscolo agente infettivo che si riproduce all'interno delle cellule degli ospiti viventi. Quando è infetta, la cellula ospite è costretta a produrre rapidamente migliaia di copie identiche del virus originale. A differenza della maggior parte degli esseri viventi, i virus non hanno cellule che si dividono; i nuovi virus si assemblano nella cellula ospite infetta. Ma a differenza di agenti infettivi più semplici come i prioni, essi contengono geni che permettono loro di mutare ed evolversi. Sono state scoperte più di 4 800 specie di virus.[1] La loro origine non è chiara: alcuni possono essersi evoluti da plasmidi - pezzi di DNA che possono muoversi tra le cellule - mentre altri possono essersi evoluti da batteri.

I virus sono composti da due o tre parti. Tutti contengono geni, le istruzioni delle cellule, fatte da DNA o RNA, molecole lunghe con molti geni. Tutti i virus sono anche coperti da un mantello proteico per proteggere i geni. Alcuni virus possono anche avere un involucro di grasso che copre il mantello proteico e li rende vulnerabili al sapone. Un virus con questo "involucro virale" lo usa - insieme a specifici recettori - per entrare in una nuova cellula ospite. I virus hanno forme diverse, dalla semplice forma elicoidale e icosaedrica a strutture più complesse. I virus hanno dimensioni che vanno da 20 a 300 nanometri; ci vorrebbero da 33 000 a 500 000 di essi, uno accanto all'altro, per allungarsi fino a 1 centimetro (0,4 in).[2]

I virus si diffondono in molti modi. Così come molti sono molto specifici per quanto riguarda la specie ospite o il tessuto che attaccano, ogni specie di virus si basa su un particolare metodo di propagazione. I virus vegetali sono spesso diffusi da pianta a pianta da insetti e altri organismi, noti come vettori. Alcuni virus dell'uomo e di altri animali si diffondono attraverso l'esposizione a fluidi corporei infetti. Virus come l'influenza sono diffusi nell'aria da goccioline di umidità quando le persone tossiscono o starnutiscono. Virus come il norovirus[3] sono trasmessi per via fecale-orale, che comporta la contaminazione delle mani, del cibo e dell'acqua. Il rotavirus spesso si diffonde per contatto diretto con i bambini infetti. Il virus dell'immunodeficienza umana, l'HIV, è trasmesso dai fluidi corporei trasferiti durante il rapporto sessuale. Altri, come il virus della dengue, sono diffusi da insetti succhiatori di sangue.

I virus, in particolare quelli che hanno RNA, possono mutare rapidamente e dare origine a nuovi tipi contro i quali i loro ospiti hanno poca protezione. Il virus dell'influenza, ad esempio, cambia spesso, ed è per questo che ogni anno è necessario un nuovo vaccino. Cambiamenti importanti possono causare pandemie come nel 2009, quando l'influenza suina si è diffusa nella maggior parte dei Paesi. Spesso queste mutazioni avvengono quando il virus ha infettato altri animali, come i pipistrelli nel caso del coronavirus, e i suini e gli uccelli nell'influenza, prima di diffondersi all'uomo.

Le infezioni virali possono causare malattie nell'uomo, negli animali e nelle piante. Negli esseri umani e negli animali sono di solito eliminate dal sistema immunitario, conferendo all'ospite l'immunità a vita per quel virus. Gli antibiotici non hanno alcun effetto, ma i farmaci antivirali possono trattare le infezioni potenzialmente letali. I vaccini che producono immunità a vita possono prevenire alcune infezioni.

Scoperta

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Scansione al microscopio elettronico di virus HIV-1, colorati di verde, germogliati da un linfocito.

Nel 1884 il microbiologo francese Charles Chamberland inventò il filtro Chamberland (o filtro Chamberland-Pasteur), che contiene pori più piccoli dei batteri. Così, poteva far passare una soluzione contenente batteri attraverso il filtro e rimuoverli completamente. All'inizio del 1890 il biologo russo Dmitri Ivanovsky utilizzò questo metodo per studiare quello che divenne noto come il virus del mosaico del tabacco. I suoi esperimenti dimostrarono che gli estratti delle foglie schiacciate delle piante di tabacco infette rimangono infettivi dopo la filtrazione.[4]

Nello stesso periodo, diversi altri scienziati dimostrarono che, sebbene questi agenti (in seguito chiamati virus) fossero diversi dai batteri e circa cento volte più piccoli, potevano comunque causare malattie. Nel 1899 il microbiologo olandese Martinus Beijerinck osservò che l'agente si moltiplicava solo in cellule divisorie. Lo chiamò "fluido vivente contagioso" (latino: contagium vivum fluidum) o "germe vivente solubile" perché non riusciva a trovare alcuna particella simile a un germe.[5]

All'inizio del XX secolo il batteriologo inglese Frederick Twort scoprì dei virus che infettano i batteri,[6] e il microbiologo franco-canadese Félix d'Herelle descrisse dei virus che, aggiunti ai batteri che crescono sulla'agar agar, avrebbero portato alla formazione di intere aree di batteri morti. Il conteggio di queste aree morte gli permise di calcolare il numero di virus in sospensione.[7]

L'invenzione del microscopio elettronico nel 1931 portò alle prime immagini di virus.[8] Nel 1935 il biochimico e virologo americano Wendell Meredith Stanley esaminò il virus del mosaico del tabacco e constatò che è per lo più a base di proteine.[9] Poco più tardi, questo virus fu separato in proteine e pezzi di RNA.[10] Un problema per i primi scienziati era che non sapevano come coltivare virus senza usare animali vivi. La svolta avvenne nel 1931, quando il patologo americano Ernest William Goodpasture e sua moglie, la virologa Alice Miles Woodruff coltivarono il virus dell'influenza, e parecchi altri, in uova di gallina fecondate.[11] Alcuni virus non si potevano coltivare in uova di gallina. Il problema fu risolto nel 1949, quando John Franklin Enders, Thomas Huckle Weller e Frederick Chapman Robbins fecero crescere il poliovirus in culture di cellule di animali viventi.[12] Sono state scoperte più di 4.800 specie di virus.[1]

Origine

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I virus coesistono con la vita, ovunque essa si manifesti. Probabilmente esistono da quando le cellule viventi si sono evolute. La loro origine rimane poco chiara perché non si fossilizzano, quindi le tecniche molecolari sono state il modo migliore per ipotizzare come sono sorti. Queste tecniche si fondano sulla disponibilità di DNA o RNA antichi, ma la maggior parte dei virus conservati e immagazzinati nei laboratori hanno meno di 90 anni.[13][14] I metodi molecolari sono stati efficaci solo nel ricostruire l'ascendenza dei virus che si sono evoluti nel XX secolo.[15] Potrebbero essere reiteratamente emersi nuovi gruppi di virus in ogni fase dell'evoluzione della vita.[16] Le teorie principali sull'origine dei virus sono tre:[16][17]

Teoria regressiva
I virus potrebbero essere stati piccole cellule che un tempo "parassitizzavano" le cellule più grandi. Alla fine i geni di cui, vivendo da parassiti, non avevano più bisogno, sarebbero andati perduti. I batteri Rickettsia e Chlamydia sono cellule viventi che, come i virus, possono riprodursi solo all'interno delle cellule ospiti. Ciò avvalora tale teoria, poiché la loro dipendenza dall'essere parassiti può aver portato alla perdita dei geni che un tempo permettevano loro di vivere da soli.[18]
Teoria dell'origine cellulare
Alcuni virus potrebbero essersi evoluti da pezzi di DNA o RNA che "sono fuggiti" dai geni di un organismo più grande. Il DNA sfuggito potrebbe essere venuto da plasmidi - pezzi di DNA che possono muoversi tra le cellule - mentre altri potrebbero essersi evoluti da batteri.[19]
Teoria della coevoluzione
I virus potrebbero essersi evoluti da molecole complesse di proteine e DNA nello stesso momento in cui le cellule sono apparse per la prima volta sulla terra, e sarebbero dipesi dalla vita cellulare per molti milioni di anni.[20]

Nessuna di queste teorie è del tutto soddisfacente: quella regressiva non spiega perché al più piccolo dei parassiti cellulari non assomigli in alcun modo ai virus. L'ipotesi del "materiale genetico sfuggito" non spiega le strutture delle particelle virali. La coevoluzione, o ipotesi "prima i virus", contraddice la definizione dei virus, dato che dipendono dalle cellule che li ospitano.[20] Inoltre, si riconosce che i virus sono antichi, e che hanno un'origine anteriore alla diversificazione della vita nei tre domini.[21][22] Questa scoperta ha portato i virologi moderni a riconsiderare e rivalutare queste tre ipotesi classiche.[22][16]

Struttura

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Diagramma semplificato della struttura di un virus.

Una particella virale, chiamata anche virione, è costituita da geni composti da DNA o RNA che sono circondati da uno strato protettivo di proteine chiamato capside.[2] Il capside è costituito da molte molecole proteiche più piccole e identiche, chiamate capsomeri. La disposizione dei capsomeri può essere icosaedrica (20 lati), elicoidale o più complessa. C'è un guscio interno intorno al DNA o RNA chiamato nucleocapside, fatto di proteine. Alcuni virus sono circondati da una bolla di lipidi (grassi) chiamata pericapside, che li rende vulnerabili al sapone e all'alcol.[23]

Dimensioni

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I virus sono tra i più piccoli agenti infettivi, e sono troppo piccoli per essere visti dalla microscopia ottica, la maggior parte di essi può essere vista solo dalla microscopia elettronica. Le loro dimensioni variano da 20 a 300 nanometri; ci vorrebbero da 30 000 a 500 000 di loro, uno accanto all'altro, per allungarsi fino a un centimetro (0,4 in).[2] Per comparazione, i batteri sono tipicamente intorno ai 1 000 nanometri (1 micrometro) di diametro, e le cellule ospiti di organismi superiori sono tipicamente poche decine di micrometri. Alcuni virus come i megavirus e i pandoravirus sono virus relativamente grandi. A circa 1 000 nanometri, questi virus, che infettano le amebe, sono stati scoperti nel 2003 e nel 2013.[24][25] Sono circa dieci volte più grandi (e quindi mille volte più grandi in volume) dei virus dell'influenza, e la scoperta di questi "giganteschi" virus ha stupito gli scienziati.[26]

Geni

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La molecola del DNA sembra una scala contorta. I "pioli" della scala si aprono durante la replica. Un virus "dirotta" il DNA di un altro organismo per copiare sé stesso.

I geni dei virus sono costituiti da DNA (acido desossiribonucleico) e, in molti virus, RNA (acido ribonucleico). Le informazioni biologiche contenute in un organismo sono codificate nel suo DNA o RNA. La maggior parte degli organismi utilizza il DNA, ma molti virus hanno l'RNA come materiale genetico. Il DNA o RNA dei virus è costituito da un singolo filamento o da una doppia elica.[27]

I virus si riproducono rapidamente perché hanno solo pochi geni. Per esempio, il virus dell'influenza ha solo otto geni e il rotavirus ne ha undici; in confronto, gli esseri umani ne hanno 20 000-25 000. Questi geni codificano proteine strutturali, che formano la particella del virus, o proteine non strutturali, che si trovano solo nelle cellule infettate dal virus.[28][29]

Tutte le cellule, e molti virus, producono proteine che sono enzimi chiamati DNA polimerasi e RNA polimerasi che fanno nuove copie di DNA e RNA. Gli enzimi della polimerasi di un virus sono spesso molto più efficienti nel produrre DNA e RNA rispetto agli enzimi equivalenti delle cellule ospiti,[30] ma gli enzimi virali della polimerasi dell'RNA sono soggetti a errori, causando la mutazione dei virus a RNA e la formazione di nuovi ceppi.[31]

In alcune specie di virus a RNA, i geni non sono su una molecola continua di RNA, ma sono separati. Il virus dell'influenza, per esempio, ha otto geni separati fatti di RNA. Quando due diversi ceppi di virus influenzali infettano la stessa cellula, questi geni possono mescolarsi e produrre nuovi ceppi del virus in un processo chiamato riassortimento.[32][33]

Sintesi proteica

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Diagramma di una tipica cellula eucariotica, con illustrazione delle componenti subcellulari.
Organuli: (1) nucleolo (2) nucleo (3) ribosoma (4) vescicola (5) reticolo endoplasmatico rugoso (ER) (6) apparato del Golgi (7) citoscheletro (8) ER liscio (9) mitocondri (10) vacuolo (11) citoplasma (12) lisosoma (13) centrioli nel centrosoma (14) un virus in scala approssimata.

Le proteine sono essenziali per la vita. Le cellule producono nuove molecole proteiche da blocchi di aminoacidi basati su informazioni codificate nel DNA. Ogni tipo di proteina è una sorta di specialista che di solito svolge una sola funzione, quindi se una cellula ha bisogno di fare qualcosa di nuovo, deve produrre una nuova proteina. I virus costringono la cellula a produrre nuove proteine di cui la cellula non ha bisogno, ma che sono necessarie per la riproduzione del virus. La sintesi proteica consiste di due fasi principali: trascrizione e traduzione genica.[34]

La trascrizione è il processo in cui l'informazione nel DNA, chiamata codice genetico, viene utilizzata per produrre copie di RNA chiamate RNA messaggero (mRNA). Questi migrano attraverso la cellula e portano il codice ai ribosomi dove viene utilizzato per produrre proteine. Questo è chiamato traduzione perché la struttura amminoacidica della proteina è determinata dal codice dell'mRNA. Le informazioni sono quindi tradotte dal linguaggio degli acidi nucleici al linguaggio degli amminoacidi.[34]

Alcuni acidi nucleici dei virus RNA funzionano direttamente come mRNA senza ulteriori modifiche. Per questo motivo, questi virus sono chiamati virus RNA a senso positivo.[35] In altri virus a RNA, l'RNA è una copia complementare dell'mRNA e questi virus si basano sull'enzima della cellula o sul loro stesso enzima per produrre mRNA. Questi sono chiamati virus RNA a senso negativo. Nei virus ottenuti dal DNA, il metodo di produzione dell'mRNA è simile a quello della cellula. Le specie di virus chiamati retrovirus si comportano in modo completamente diverso: hanno RNA, ma all'interno della cellula ospite una copia del DNA del loro RNA è fatta con l'aiuto dell'enzima trascriptasi inversa. Questo DNA viene poi incorporato nel DNA dell'ospite e copiato nell'mRNA attraverso le normali vie della cellula.[36]

Ciclo di vita

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Ciclo di vita di un virus tipico (da sinistra a destra); in seguito all'infezione di una cellula da parte di un singolo virus, vengono rilasciati centinaia di "figli".

Quando un virus infetta una cellula, il virus la costringe a produrre migliaia di altri virus. Lo fa facendo in modo che la cellula copi il DNA o l'RNA del virus, creando proteine virali, che si assemblano tutte per formare nuove particelle di virus.[37]

Ci sono sei fasi fondamentali, che si sovrappongono nel ciclo di vita dei virus nelle cellule viventi:[38]

  • L'attaccamento è il legame del virus a specifiche molecole sulla superficie della cellula. Questa specificità limita il virus ad un tipo di cellula molto limitato. Per esempio, il virus dell'immunodeficienza umana (HIV) infetta solo la cellula T umana, perché la sua proteina superficiale, gp120, può reagire solo con CD4 e altre molecole sulla superficie della cellula T. I virus vegetali possono attaccarsi solo alle cellule vegetali e non possono infettare gli animali. Questo meccanismo si è evoluto per favorire quei virus che infettano solo le cellule in cui sono in grado di riprodursi.
  • L'ingresso segue l'attaccamento; i virus penetrano nella cellula ospite per endocitosi o per fusione con la cellula.
  • L'uncoating avviene all'interno della cellula quando il capside virale viene rimosso e distrutto dagli enzimi virali o dagli enzimi dell'ospite, esponendo così l'acido nucleico virale.
  • La replicazione di particelle di virus è la fase in cui una cellula utilizza RNA messaggero virale nei suoi sistemi di sintesi proteica per produrre proteine virali. Le capacità di sintesi dell'RNA o del DNA della cellula producono il DNA o l'RNA del virus.
  • L'assemblaggio avviene nella cellula quando le proteine virali appena create e l'acido nucleico si combinano per formare centinaia di nuove particelle di virus.
  • Il rilascio si verifica quando i nuovi virus fuoriescono o vengono rilasciati dalla cellula. La maggior parte dei virus ottiene questo risultato facendo scoppiare le cellule, un processo chiamato lisi. Altri virus come l'HIV sono rilasciati più delicatamente da un processo chiamato "germogliamento"[39] (budding).

Effetti sulla cellula ospite

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I virus hanno una vasta gamma di effetti strutturali e biochimici sulla cellula ospite.[40] Questi sono chiamati effetti citopatici.[41] La maggior parte delle infezioni da virus finiscono per provocare la morte della cellula ospite. Le cause della morte comprendono la lisi cellulare (scoppio), alterazioni della membrana superficiale della cellula e apoptosi ("suicidio" della cella).[42] Spesso la morte cellulare è causata dalla cessazione della sua normale attività a causa delle proteine prodotte dal virus, che non sono tutte componenti della particella del virus.[43]

Alcuni virus non causano cambiamenti apparenti nella cellula infetta. Cellule in cui il virus è latente[44] (inattivo) mostrano pochi segni di infezione e spesso funzionano normalmente.[45] Questo causa infezioni persistenti e il virus è spesso inattivo per molti mesi o anni. Questo è spesso il caso dell'herpes simplex.[46][47]

Alcuni virus, come il virus di Epstein-Barr (herpesvirus umano 4), spesso causano la proliferazione delle cellule senza causare malignità[48]; ma alcuni altri, come il papillomavirus, sono una causa accertata di cancro.[49] Quando il DNA di una cellula è danneggiato da un virus tale che la cellula non può ripararsi da sola, questo spesso innesca l'apoptosi. Uno dei risultati dell'apoptosi è la distruzione del DNA danneggiato da parte della cellula stessa. Alcuni virus hanno meccanismi per limitare l'apoptosi in modo che la cellula ospite non muoia prima che i virus della progenie siano stati prodotti; l'HIV, per esempio, si comporta così.[50]

Virus e malattie

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Ci sono molti modi in cui i virus si diffondono da un ospite all'altro, ma ogni specie di virus ne utilizza solo uno o due. Molti virus che infettano le piante sono trasportati da organismi; tali organismi sono chiamati vettori. Alcuni virus che infettano gli animali, compreso l'uomo, sono anche diffusi da vettori, di solito insetti succhiatori di sangue, ma la trasmissione diretta è più comune. Alcune infezioni virali, come norovirus e rotavirus, sono diffuse da cibo e acqua contaminati, dalle mani e dagli oggetti comuni fomiti,[51] e dal contatto intimo con un'altra persona infetta, mentre altre sono trasmesse per via aerea (virus dell'influenza). Virus come l'HIV, epatite B e epatite C sono spesso trasmessi da rapporti sessuali non protetti o aghi ipodermici contaminati. Per prevenire infezioni ed epidemie, è importante sapere come si diffonde ogni tipo di virus.[52]

Negli esseri umani

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Tra le malattie umane comunemente causate dai virus ricordiamo raffreddore comune, influenza, varicella e herpes labiale. Anche malattie gravi come Ebola] e AIDS sono causate da virus.[53] Molti virus causano pochi disturbi, o addirittura nessuna malattia e si dice che siano "benigni". I virus più dannosi sono descritti come virulenti.[54] I virus causano diverse malattie a seconda del tipo di cellula che infettano. Alcuni virus possono causare infezioni a vita o infezioni croniche in cui i virus continuano a riprodursi nell'organismo nonostante i meccanismi di difesa dell'ospite.[55] Questo è comune nelle infezioni da virus dell'epatite B e da virus dell'epatite C. Le persone cronicamente infettate da un virus sono note come portatori. Essi fungono da importanti serbatoi del virus.[56][57]

Endemia

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Se la percentuale di portatori in una data popolazione raggiunge una determinata soglia, si dice che la malattia è endemica.[58] Prima dell'avvento della prassi vaccinale, le infezioni da virus erano comuni e le epidemie si verificavano regolarmente. Nei Paesi con un clima temperato, le malattie virali sono solitamente stagionali. Gli accessi di poliomielite, causata da poliovirus, si verificavano spesso nei mesi estivi.[59] Al contrario, i raffreddori, l'influenza e le infezioni da rotavirus sono di solito un problema durante i mesi invernali.[60][61] Altri virus, come quello del morbillo, causano regolarmente epidemie ogni tre anni.[62] Nei Paesi in via di sviluppo, i virus che causano infezioni respiratorie ed enteriche sono comuni tutto l'anno. I virus trasportati dagli insetti sono una causa comune di malattie in questi ambienti. Zika e dengue per esempio sono trasmessi dalle zanzare Aedes femmina, che mordono gli esseri umani in particolare durante la stagione riproduttiva delle zanzare.[63]

Pandemia ed "emergenti"

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Da sinistra a destra: la scimmia verde africana, fonte del SIV; il cercocebo moro, fonte dello HIV-2; e lo scimpanzé comune, fonte dello HIV-1.
Origine ed evoluzione di (A) SARS-CoV (B) MERS-CoV, e (C) SARS-CoV-2 in diversi ospiti. Tutti i virus provenivano dai pipistrelli come virus correlati al coronavirus prima di mutare e adattarsi agli ospiti intermedi e poi agli esseri umani e causare le malattie SARS, MERS e COVID-19.(Adattato da Ashour et al. (2020)[64])

Sebbene le pandemie virali siano eventi rari, l'HIV — evolutosi dai virus che si trovano nelle scimmie e negli scimpanzé — è una pandemia almeno dagli anni 1980.[65] Nel corso del XX secolo ci sono state quattro pandemie causate dal virus dell'influenza e quelle che si sono verificate nel 1918, 1957 e 1968 sono state gravi.[66] Prima della sua eradicazione, il vaiolo è stato causa di pandemie per oltre 3 000 anni.[67] Nel corso della storia, la migrazione umana ha favorito la diffusione delle infezioni pandemiche; prima per mare e in tempi moderni anche per via aerea.[68]

Ad eccezione del vaiolo, la maggior parte delle pandemie sono causate da virus di recente evoluzione. Questi virus "emergenti" sono di solito mutanti di virus meno dannosi che hanno circolato in precedenza sia nell'uomo che in altri animali.[69]

Sindrome respiratoria acuta grave (SARS) e Sindrome respiratoria mediorientale (MERS) sono causate da nuovi tipi di coronavirus. Altri coronavirus sono noti per causare lievi infezioni nell'uomo,[70] quindi la virulenza e la rapida diffusione delle infezioni da SARS - che nel luglio 2003 avevano causato circa 8 000 casi e 800 morti - erano inaspettate e la maggior parte dei Paesi non era preparata.[71]

Un coronavirus correlato è emerso a Wuhan, in Cina, nel novembre 2019 e si è diffuso rapidamente in tutto il mondo. Ritenuto originare dai pipistrelli e successivamente denominato SARS-CoV-2, suscita infezioni da virus che causano una malattia chiamata COVID-19, con gravità da lieve a mortale,[72] e ha portato ad una pandemia nel 2020.[64][73][74] Restrizioni senza precedenti in tempo di pace sono state imposte ai viaggi internazionali[75] e il coprifuoco imposto in diverse grandi città del mondo.[76]

Nelle piante

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Peperoni infettati da un virus a chiazze leggere.

Ci sono molti tipi di virus delle piante, ma spesso causano solo una diminuzione della resa agricola, e non è economicamente conveniente cercare di controllarli. I virus delle piante sono sovente diffusi da una pianta ad un'altra attraverso organismi chiamati "vettori". Si tratta normalmente di insetti, ma alcuni funghi, vermi nematodi e organismi unicellulari hanno dimostrato di essere vettori. Quando il controllo delle infezioni da virus delle piante è considerato economico (ad esempio i frutti perenni) gli sforzi si concentrano sull'uccisione dei vettori e la rimozione di ospiti alternativi come le erbacce.[77] I virus delle piante sono innocui per l'uomo e per gli altri animali perché possono riprodursi solo in cellule vegetali viventi.[78]

Batteriofagi

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La struttura di un batteriofago tipico.

I batteriofagi sono virus che infettano batteri e archaea. L'International Committee on Taxonomy of Viruses riconosce ufficialmente 28 generi di batteriofagi che appartengono a 11 famiglie.[79] Sono importanti in ecologia marina: quando i batteri infetti scoppiano, i composti di carbonio vengono rilasciati nell'ambiente, stimolando il rinnovamento della crescita organica. I batteriofagi sono utili nella ricerca scientifica perché sono innocui per l'uomo e possono essere studiati facilmente. l virus possono essere un problema nelle industrie che producono alimenti e farmaci per fermentazione e dipendono da batteri sani. Alcune infezioni batteriche stanno diventando difficili da controllare con gli antibiotici, quindi c'è un crescente interesse nell'uso dei batteriofagi per trattare le infezioni nell'uomo.[80]

Resistenza dell'ospite

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Immunità innata degli animali

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Gli animali, compresi gli esseri umani, hanno molte difese naturali contro i virus. Alcuni non sono specifici e proteggono da molti virus, indipendentemente dal tipo. Questa immunità innata non viene migliorata dall'esposizione ripetuta ai virus e non conserva una "memoria" dell'infezione. La pelle degli animali, in particolare la sua superficie, che è costituita da cellule morte, impedisce a molti tipi di virus di infettare l'ospite. L'acidità del contenuto dello stomaco distrugge molti virus che sono stati inghiottiti. Quando un virus supera queste barriere ed entra nell'ospite, altre difese innate impediscono la diffusione dell'infezione nell'organismo. Un ormone speciale chiamato interferone viene prodotto dall'organismo quando i virus sono presenti, e questo impedisce ai virus di riprodursi uccidendo le cellule infette e i loro vicini. All'interno delle cellule, ci sono enzimi che distruggono l'RNA dei virus. Questa si chiama RNA interference. Alcune cellule del sangue inghiottono e distruggono altre cellule infette da virus.[81]

Immunità adattiva degli animali

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Due particelle di rotavirus: quella a destra è rivestita di anticorpi che le impediscono di attaccarsi alle cellule infettandole.

L'immunità specifica ai virus si sviluppa nel tempo e i globuli bianchi chiamati linfociti vi svolgono un ruolo centrale. I linfociti conservano una "memoria" delle infezioni virali e producono molte molecole speciali chiamate anticorpi. Questi anticorpi si attaccano ai virus e impediscono al virus di infettare le cellule. Gli anticorpi sono assai selettivi e attaccano un solo tipo di virus. Il corpo produce molti anticorpi diversi, soprattutto durante l'infezione iniziale. Quando l'infezione si placa, alcuni anticorpi rimangono e continuano ad essere prodotti, dando di solito all'ospite l'immunità permanente al virus.[82]

Resistenza delle piante

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Le piante hanno elaborati ed efficaci meccanismi di difesa contro i virus. Uno dei più efficaci è la presenza dei cosiddetti geni di resistenza (R). Ogni gene R conferisce resistenza a un particolare virus scatenando aree localizzate di morte cellulare intorno alla cellula infetta, che spesso possono essere viste ad occhio nudo come grandi macchie. Questo previene la diffusione dell'infezione.[83] L'interferenza dell'RNA è anche una difesa efficace nelle piante.[84] Quando sono infette, le piante spesso producono disinfettanti naturali che distruggono i virus, come acido salicilico, ossido nitrico e molecole reattive all'ossigeno.[85]

Resistenza ai batteriofagi

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Il modo principale in cui i batteri si difendono dai batteriofagi è la produzione di enzimi che distruggono il DNA estraneo. Questi enzimi, chiamati endonucleasi di restrizione, distruggono il DNA virale che i batteriofagi iniettano nelle cellule batteriche.[86]

Prevenzione e cura delle malattie virali

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Vaccini

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La struttura del DNA che mostra la posizione dei nucleosidi e degli atomi di fosforo che formano la "spina dorsale" della molecola.

I vaccini simulano un'infezione naturale e la sua risposta immunitaria associata, ma non causano la malattia. Il loro uso ha portato all'eradicazione del vaiolo e a un drastico declino della malattia e della morte causata da infezioni come polio, morbillo, parotite e rosolia.[87] Il loro utilizzo ha portato all'eradicazione del vaiolo e a un drastico declino delle malattie e dei decessi causati da infezioni come polio], morbillo, parotite e rosolia.[88] Vi sono vaccini per prevenire oltre quattordici infezioni virali dell'uomo[89] e altri sono utilizzati per prevenire le infezioni virali degli animali.[90] I vaccini possono essere costituiti da virus vivi o uccisi.[91] I vaccini vivi contengono forme indebolite del virus, ma questi vaccini possono essere pericolosi se somministrati a persone con immunità debole. In queste persone il virus indebolito può causare la malattia che si vorrebbe prevenire.[92] La biotecnologia e le tecniche di ingegneria genetica sono utilizzate per produrre vaccini "progettati" (in laboratorio) che hanno solo le proteine capsidiche del virus. Il vaccino per l'epatite B appartiene a questa categoria.[93] Questi vaccini sono più sicuri perché non possono in alcun caso provocare la malattia.[91]

Farmaci antivirali

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La struttura della base del DNA guanosina e il farmaco antivirale aciclovir che funziona emulandolo.

Dalla metà degli anni 1980, lo sviluppo di farmaci antivirali è aumentato rapidamente, soprattutto a causa della pandemia dell'AIDS. I farmaci antivirali sono spesso analoghi aciclici, che si mascherano da elementi costitutivi del DNA (nucleosidici). Quando inizia la replicazione del DNA del virus, vengono utilizzati alcuni dei falsi blocchi di costruzione. Questo impedisce la replicazione del DNA perché i farmaci mancano delle caratteristiche essenziali che permettono la formazione di una catena di DNA. Quando la produzione di DNA si arresta il virus non può più riprodursi.[94] Esempi di analoghi aciclici sono aciclovir per le infezioni da herpes virus e lamivudina per le infezioni da HIV e virus dell'epatite B. L'aciclovir è uno dei farmaci antivirali più antichi e più frequentemente prescritti.[95]

Altri farmaci antivirali si rivolgono a diversi stadi del ciclo di vita virale. L'HIV dipende da un enzima chiamato HIV-1 proteasi che rende il virus infettivo. Esiste una classe di farmaci chiamati inibitori della proteasi, che si legano a questo enzima e ne impediscono il funzionamento.[96].

L'epatite C è causata da un virus RNA. Nell'80% delle persone infette, la malattia diventa cronica, e rimangono infettive per il resto della loro vita a meno che non vengano curate. Esiste un trattamento efficace che utilizza il farmaco analogo aciclico ribavirina.[97] I trattamenti per i portatori cronici del virus dell'epatite B sono stati sviluppati con una strategia simile, utilizzando lamivudina e altri farmaci antivirali. In entrambe le malattie, i farmaci impediscono al virus di riprodursi e l'interferone uccide le cellule infette rimaste.[98]

Le infezioni da HIV sono di solito trattate con una combinazione di farmaci antivirali, ognuno dei quali ha come bersaglio un diverso stadio del ciclo di vita del virus. Ci sono farmaci che impediscono al virus di attaccarsi alle cellule, altri che sono analoghi del nucleoside e alcuni avvelenano gli enzimi del virus di cui ha bisogno per riprodursi. Il successo di questi farmaci è la prova dell'importanza di sapere come i virus si riproducono.[96]

Ruolo nell'ecologia

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I virus sono l'entità biologica più abbondante negli ambienti acquatici;[99] un cucchiaino di acqua di mare contiene circa dieci milioni di virus,[100] e sono essenziali per la regolazione degli ecosistemi di acqua salata e di acqua dolce.[101] La maggior parte sono batteriofagi,[102] che sono innocui per piante e animali. Infettano e distruggono i batteri delle comunità microbiche acquatiche e questo è il più importante meccanismo di riciclaggio del carbonio nell'ambiente marino. Le molecole organiche rilasciate dalle cellule batteriche dai virus stimolano la crescita di batteri e alghe fresche.[103] I microrganismi costituiscono oltre il 90% della biomassa del mare. Si stima che i virus uccidano circa il 20% di questa biomassa ogni giorno e che ci siano quindici volte più virus negli oceani di quanti siano i batteri e gli archei. Sono i principali responsabili della rapida distruzione delle nocive fioriture algali,[104] che spesso uccidono altre forme di vita marina.[105] Il numero di virus negli oceani diminuisce più al largo e più in profondità nell'acqua, dove ci sono meno organismi ospiti.[106]

I loro effetti sono di vasta portata; aumentando la quantità di respirazione negli oceani, i virus sono indirettamente responsabili della riduzione della quantità di anidride carbonica nell'atmosfera di circa 3 gigatonnellate di carbonio all'anno.[106]

Anche i mammiferi marini sono suscettibili di infezioni virali. Nel 1988 e nel 2002, migliaia di foche marine sono state uccise in Europa dal virus del cimurro focino.[107] Molti altri virus, tra cui calicivirus, herpesvirus, adenovirus e parvovirus, circolano nelle popolazioni di mammiferi marini.[106]

Note

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  3. ↑ Il norovirus, a volte indicato come il virus del vomito invernale, è la causa più comune di gastroenterite. L'infezione è caratterizzata da diarrea non sanguinolenta, vomito e mal di stomaco. Possono verificarsi anche febbre o mal di testa. I sintomi si sviluppano di solito da 12 a 48 ore dopo l'esposizione, e il recupero avviene di solito entro 1-3 giorni. Le complicazioni sono rare, ma possono includere disidratazione, soprattutto nei giovani, negli anziani e in coloro che hanno altri problemi di salute.
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  21. ↑ Il sistema a tre domini è una classificazione biologica introdotta da Carl Woese et al. nel 1990 che divide le forme di vita cellulare in arcaie, batteri ed eucarioti. In particolare, sottolinea la separazione dei procarioti in due gruppi, originariamente chiamati Eubacteria (ora Bacteria) e Archaebacteria (ora Archaea). Woese ha sostenuto che, sulla base delle differenze nei geni rRNA 16S, questi due gruppi e gli eucarioti sono sorti ciascuno separatamente da un antenato con un apparato genetico poco sviluppato, spesso chiamato progenote. Per riflettere queste linee primarie di discendenza, egli ha trattato ciascuno come un dominio, diviso in diversi regni diversi. Woese inizialmente usò il termine "regno" per riferirsi ai tre raggruppamenti filogenici primari, e questa nomenclatura fu ampiamente utilizzata fino all'adozione del termine "dominio" nel 1990.
    Parti della teoria dei tre domini sono state ferocemente messe in discussione da scienziati come Radhey S. Gupta, che sostiene che la divisione primaria all'interno dei procarioti dovrebbe essere tra quelli circondati da una singola membrana e quelli con due membrane.
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  39. ↑ Il "budding" attraverso l'effetto "cell envelope-in", prendendo in prestito dalla membrana cellulare per creare l'involucro virale del virus stesso, è più efficace per i virus che hanno bisogno di un involucro in primo luogo. Ne fanno parte virus avvolti come HIV, HSV, SARS o vaiolo. Prima di germogliare, il virus può mettere il proprio recettore sulla superficie della cellula in preparazione al germogliamento del virus, formando un involucro con i recettori virali già presenti. Anche se il germogliamento non distrugge immediatamente la cellula ospite, questo processo consumerà lentamente la membrana cellulare e alla fine porterà alla morte della cellula. Questo è anche il modo in cui le risposte antivirali sono in grado di rilevare le cellule infette da virus. Il budding è stato studiato in modo più approfondito per i virus degli eucarioti. Tuttavia, è stato dimostrato che i virus che infettano i procarioti del dominio Archaea utilizzano anche questo meccanismo di rilascio dei virioni.
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  44. ↑ La latenza del virus (o latenza virale) è la capacità di un virus patogeno di rimanere dormiente (latente) all'interno di una cellula, indicata come la parte lisogenica del ciclo di vita virale. Un'infezione virale latente è un tipo di infezione virale persistente che si distingue da un'infezione virale cronica. La latenza è la fase del ciclo di vita di alcuni virus in cui, dopo l'infezione iniziale, cessa la proliferazione delle particelle virali. Tuttavia, il genoma virale non è completamente eradicato. Il risultato è che il virus può riattivarsi e iniziare a produrre grandi quantità di progenie virali (la parte litica del ciclo di vita virale) senza che l'ospite venga reinfettato da nuovi virus esterni e rimanga all'interno dell'ospite a tempo indeterminato. La latenza del virus non va confusa con la latenza clinica durante il periodo di incubazione quando un virus non è dormiente.
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  48. ↑ La malignità (dal latino malum, che significa "male", e -gnus, che significa "nato") è la tendenza di una condizione medica a peggiorare progressivamente. La malignità è più familiare come caratterizzazione del cancro. Un tumore maligno contrasta con un tumore benigno non canceroso in quanto un tumore maligno non è autolimitato nella sua crescita, è in grado di invadere i tessuti adiacenti, e può essere in grado di diffondersi a tessuti lontani. Un tumore benigno non ha nessuna di queste proprietà.
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  51. ↑ Un fomite è qualsiasi oggetto inanimato che, se contaminato o esposto ad agenti infettivi (come batteri patogeni, virus o funghi), può trasferire la malattia ad un nuovo ospite. Per gli esseri umani, le cellule della pelle, i capelli, i vestiti e le lenzuola sono comuni fomiti ospedalieri. I fomiti sono associati in particolare alle infezioni nosocomiali (HAI), in quanto sono possibili vie per il passaggio di agenti patogeni tra i pazienti. Mani non lavate in modo adeguato, stetoscopi e cravatte sono fomiti comuni associati ai fornitori di assistenza sanitaria.
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