55

Vậy virus nhỏ đến mức nào? Trung bình, virus có kích thước chỉ bằng khoảng một phần mười vi khuẩn. Theo thuật ngữ đo lường, các virus tròn có đường kính khoảng từ 15 nanomet (tức là 15 phần tỷ mét) đến 300 nanomet. Nhưng không phải virus nào cũng có hình tròn. Một số hình trụ, một số hình chuỗi, một số trông giống các tòa nhà có hình thù kì dị mang hơi hướng tương lai hay các mô-đun hạ cánh trên mặt trăng. Dù hình dạng là gì, khối lượng bên trong của chúng cũng vô cùng nhỏ. Các bộ gen nằm trong lớp vỏ bọc siêu nhỏ bị giới hạn từ khoảng 2.000 lên đến 1,2 triệu nucleotide. Ngược lại, bộ gen của chuột có khoảng 3 tỷ nucleotide. Cần ba nucleotide để mã hóa một axit amin và trung bình khoảng 250 axit amin để tạo ra một protein (mặc dù có một số loại protein lớn hơn nhiều). Sản xuất protein là công việc của gen; các hoạt động khác trong tế bào hoặc virus là kết quả của các phản ứng thứ cấp. Vì vậy, một bộ gen chỉ có hai nghìn ký tự mã hóa, hoặc thậm chí mười ba nghìn (đối với virus cúm), hoặc ba mươi nghìn (virus SARS), là một bộ thông số kỹ thuật rất sơ sài. Tuy bộ gen rất nhỏ và chỉ mã hóa chỉ được tám hay mười protein, virus lại vô cùng khôn ngoan và hiệu quả.

Virus phải đối mặt với bốn thách thức cơ bản: làm thế nào để di chuyển từ vật chủ này sang vật chủ khác, làm thế nào để xâm nhập vào tế bào trong vật chủ đó, làm thế nào để sử dụng tế bào chất và các bào quan để nhân bản chính nó, và làm thế nào để thoát ra ngoài – ra khỏi vật chủ, di chuyển sang một vật chủ khác. Cấu tạo và khả năng di truyền của virus đã được lập trình vô cùng khôn ngoan nhằm nhằm phục vụ những nhiệm vụ này.

Ông Peter Medawar, một nhà sinh học lỗi lạc người Anh đã nhận giải Nobel cùng năm với Macfarlane Burnet, đã định nghĩa virus là “một mẩu tin xấu được gói lại trong protein”. “Mẩu tin xấu” mà Medawar nhắc đến là vật chất di truyền, thường gây hại cho vật chủ (nhưng không phải lúc nào cũng gây hại) trong khi virus khai thác các tế bào của vật chủ để trú ẩn và sinh sản. Vỏ bọc bên ngoài protein được gọi là capsid. Capsid phục vụ hai mục đích: bảo vệ các tổ chức bên trong của virus khi cần và giúp virus xâm nhập vào các tế bào. Một virus hoàn chỉnh, hay một hạt virus, tồn tại độc lập bên ngoài tế bào, được gọi là virion. Capsid cũng định hình vỏ ngoài của virus. Ví dụ, virus Ebola và Marburg có hình sợi dài, đó là lý do tại sao chúng được xếp vào nhóm filovirus. Các virus khác có hình cầu, hình trứng, xoắn ốc, hoặc hình tứ diện (hai mươi mặt đều, giống như trái bóng do Buckminster Fuller thiết kế). Virus HIV-1 có dạng hình cầu. Các virion bệnh dại có hình viên đạn. Một đĩa virion Ebola trộn với virion Hendra sẽ giống món mì ống capellini sốt nụ bạch hoa.

Nhiều virus có thêm một lớp màng bọc khác, gọi là phong bì, không chỉ có protein mà còn bao gồm các phân tử lipid được rút ra từ tế bào chủ hoặc trong một số trường hợp, được kéo ra khỏi thành tế bào khi virion thoát ra ngoài. Có rất nhiều gai nhô lên trên bề mặt vỏ bọc của virion, giống ngòi nổ trên quả thủy lôi kiểu cũ. Những chiếc gai đó phục vụ một chức năng quan trọng. Chúng đặc trưng cho từng loại virus, với cấu trúc giống như chìa khóa vừa khít với các ổ khóa phân tử trên bề mặt của tế bào đích; chúng cho phép virion tự gắn vào, như các tàu vũ trụ lắp ghép với nhau, và chúng mở đường cho virus xâm nhập vào tế bào.

Tính đặc trưng của các gai không chỉ quy định loại vật chủ cụ thể mà virus có thể lây nhiễm mà còn cả loại tế bào – tế bào thần kinh, tế bào dạ dày, tế bào niêm mạc đường hô hấp – mà virus có thể dễ dàng xâm nhập nhất, từ đó quy định virus có thể gây ra loại bệnh gì. Các gai này vừa là điểm mạnh, vừa làm điểm yếu của virus. Chúng là mục tiêu chính trong các phản ứng miễn dịch của vật chủ bị nhiễm bệnh. Các kháng thể, được tạo ra bởi các tế bào bạch cầu, là các phân tử bám vào các gai và ngăn không cho virion gắn với tế bào.

Chúng ta không nên nhầm lẫn vỏ capsid với thành tế bào hay màng tế bào. Nó chỉ khá giống thôi. Ngay từ thời kỳ đầu của ngành virus học, virus đã được xác định ở dạng âm tính (không bị bắt bởi bộ lọc, không thể nuôi cấy trong các môi trường dinh dưỡng hóa học, không hoàn toàn là sinh vật sống), và mệnh đề phủ định cơ bản nhất là virion không phải là tế bào. Nó không hoạt động theo cách tế bào hoạt động; nó không có cùng điểm mạnh, điểm yếu như tế bào. Điều đó được phản ánh trong thực tế là kháng sinh không có tác dụng đối với virus — mặc dù loại thuốc này có khả năng tiêu diệt vi khuẩn (là các tế bào) hoặc ít nhất cũng cản trở sự phát triển của chúng. Penicillin hoạt động bằng cách ngăn vi khuẩn xây dựng thành tế bào. Các kháng sinh tổng hợp thay thế cũng có cơ chế tương tự, ví dụ amoxicillin. Tetracycline hoạt động bằng cách can thiệp vào các quá trình trao đổi chất bên trong giúp vi khuẩn sản xuất các protein mới để tăng trưởng và nhân rộng tế bào. Virus lại chẳng hề đếm xỉa gì tới tác dụng của những loại thuốc giết chóc đó, đơn giản vì chúng không có thành tế bào và không có các quá trình trao đổi chất bên trong như vi khuẩn.

Bên trong vỏ capsid của virus thường không có gì ngoài vật chất di truyền, một tập hợp các hướng dẫn để tạo ra các virus mới theo cùng khuôn mẫu. Những hướng dẫn này chỉ có thể thực hiện được khi chúng được đưa vào các hoạt động của tế bào sống. Bản thân vật chất có thể là DNA hoặc RNA, tùy thuộc vào họ virus. Cả hai loại phân tử đều có khả năng lưu giữ và truyền đạt thông tin di truyền, mặc dù mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng. Herpesvirus, poxvirus, papillomavirus, và một số họ virus có thể bạn chưa từng nghe đến, chẳng hạn iridovirus, baculovirus và hepadnavirus (một trong số đó gây ra bệnh viêm gan B) đều chứa DNA. Những loại khác, bao gồm filovirus, retrovirus (nổi tiếng nhất là HIV-1), coronavirus (SARS-CoV), và các họ virus bao gồm virus sởi, quai bị, Hendra, Nipah, sốt vàng, sốt xuất huyết, sốt Tây sông Nile, dại, Machupo, Junin, Lassa, chikungunya, tất cả các hantavirus, tất cả các virus cúm, và các virus gây cảm lạnh thông thường, lưu trữ thông tin di truyền của chúng dưới dạng RNA.

Các thuộc tính khác nhau của DNA và RNA là nguyên nhân dẫn đến một trong những điểm khác biệt quan trọng nhất giữa các virus: tỷ lệ đột biến. DNA là một phân tử sợi đôi, chuỗi xoắn kép nổi tiếng, và bởi vì hai sợi của nó khớp với nhau theo mối quan hệ rất cụ thể giữa các cặp bazơ nucleotide (adenin chỉ liên kết với thymine, cytosine chỉ đi với guanin), nó thường sửa chữa sai lầm trong việc bố trí các bazơ khi nó tự tái tạo. Công việc sửa chữa này được thực hiện bởi DNA polymerase, một enzyme giúp xúc tác việc xây dựng DNA mới từ các sợi đơn. Nếu một adenin được đặt nhầm vào vị trí để trở thành liên kết với guanin (không phải đối tác chính xác của nó), thì polymerase sẽ nhận ra sai lầm đó, theo dõi lại từng cặp, sửa lỗi không khớp và sau đó tiếp tục quy trình. Vì vậy, tỷ lệ đột biến ở hầu hết các virus DNA là tương đối thấp. Virus RNA do được mã hóa bởi một phân tử sợi đơn không có quy trình sửa chữa như vậy, không có hệ thống cặp bazơ đặc hiệu, không có polymerase hiệu đính, nên duy trì tỷ lệ đột biến có thể cao gấp hàng nghìn lần so với virus DNA. (Theo ghi nhận, có một nhóm nhỏ virus DNA mã hóa di truyền trên chuỗi DNA đơn và có tỷ lệ đột biến cao như virus RNA. Và cũng có một nhóm nhỏ virus RNA dạng sợi đôi. Mọi quy tắc đều có ngoại lệ. Nhưng chúng ta sẽ bỏ qua những điều bất thường nhỏ đó vì nội dung chính đã đủ phức tạp rồi.

) Điểm cơ bản vô cùng quan trọng mà tôi muốn nhắc lại: Virus RNA biến đổi rất phức tạp.

Đột biến cung cấp biến dị di truyền mới. Sự biến đổi là nguyên liệu sơ cấp cho quá trình chọn lọc tự nhiên. Hầu hết các đột biến đều có hại, gây ra những rối loạn quan trọng và đưa các dạng đột biến vào ngõ cụt tiến hóa. Nhưng đôi khi, một đột biến xảy ra lại có ích và giúp tăng khả năng thích nghi. Và càng nhiều đột biến xảy ra, cơ hội để trở nên tốt hơn cũng nhiều hơn. (Nhiều đột biến hơn cũng có nghĩa là sẽ có nhiều đột biến có hại hơn, có thể giết chết virus; điều này đặt ra giới hạn cho tỷ lệ đột biến bền vững tối đa.) Do đó, có lẽ virus RNA tiến hóa nhanh hơn bất kỳ loại sinh vật nào trên Trái Đất. Đó là điều khiến chúng trở nên dễ biến đổi, khó đoán định và vô cùng phiền phức.

Không phải mọi loại virus đều là “một mẩu tin xấu được gói gọn trong protein” như cách nói châm biếm của Peter Medawar, — hoặc ít nhất, đó không phải là tin xấu đối với mọi vật chủ bị nhiễm. Đôi khi, mẩu tin này chỉ mang tính trung lập. Thậm chí, cũng có khi nó là tin tốt; một số virus nhất định mang đến những điều tốt lành cho vật chủ. “Nhiễm trùng” không phải lúc nào cũng dẫn đến hậu quả đáng ngại; từ này chỉ đơn thuần mang nghĩa là có sự hiện diện của một số vi sinh vật. Virus không nhất thiết phải đạt được điều gì đó bằng cách làm cho vật chủ của nó bị bệnh. Mối quan tâm riêng của nó chỉ là nhân lên và lan truyền. Đúng là virus xâm nhập vào tế bào, đúng là virus phá vỡ bộ máy của tế bào để tự nhân lên, và đúng là virus thường phá hủy các tế bào đó khi thoát ra ngoài; nhưng có thể không có quá nhiều tế bào mà virus gây hạt thật sự. Nó có thể sống trên vật chủ khá lặng lẽ, lành tính, nhân lên ở mức độ khiêm tốn và truyền từ cá thể này sang cá thể khác mà không gây ra bất kỳ triệu chứng nào. Ví dụ, mối quan hệ giữa virus và vật chủ có xu hướng liên quan đến một thỏa thuận, đôi khi đạt được sau quá trình liên kết lâu dài và nhiều thế hệ điều chỉnh tiến hóa lẫn nhau, virus trở nên ít độc lực hơn, vật chủ trở nên dễ chịu hơn. Đó là một phần định nghĩa ổ chứa mầm bệnh: không triệu chứng. Không phải mọi mối quan hệ virus-vật chủ đều phát triển theo hướng thân thiện như vậy. Đó là một dạng cân bằng sinh thái đặc biệt.

Giống như tất cả các dạng cân bằng sinh thái khác, trạng thái này chỉ xảy ra ngẫu nhiên và tạm thời. Khi sự lan truyền xuất hiện, virus chuyển sang một loại vật chủ mới, thỏa thuận này sẽ bị hủy bỏ. Sự nhượng bộ là điều không thể lan truyền. Trạng thái cân bằng bị phá vỡ. Một mối quan hệ hoàn toàn mới xuất hiện. Mới ký sinh ở một vật chủ xa lạ, virus có thể chứng tỏ hoặc là nó vô hại, hoặc là mang lại chút phiền toái, hoặc là một tai họa. Vạn sự tùy duyên.