Электронный микроскоп в его современных модификациях — это весьма точный и сложный механизм, стоимость которого измеряется десятками тысяч рублей. Несмотря на это, все лаборатории, изучающие структуру вирусов, имеют его на вооружении. С помощью электронного микроскопа ученым удается рассмотреть большинство известных вирусов, просвечивая их пучком электронов.
В последние годы изобретен сканирующий электронный микроскоп, принцип работы которого основан на том, что пучок электронов не проходит через предмет насквозь, а, падая на его поверхность под определенным углом, отражается от нее и после необходимого увеличения изображения попадает на флюоресцирующий экран. Сканирующий электронный микроскоп позволяет увидеть даже объемное изображение вирусов, сделать фотографии, портреты вирусов с деталями структуры их наружной поверхности.
Исследование морфологии (формы и строения) позволило разделить все известные сейчас вирусы на три группы.
Раньше всего были изучены крупные вирусы. Их размер 200—300 нанометров. К таким «великанам» относятся вирусы оспы человека и животных, вирус эктромелии белых мышей (это заболевание часто встречается в питомниках, где разводят столь необходимых науке лабораторных животных).
Ко второй группе относят вирусы, средняя величина которых от 50 до 150 нанометров. К ним принадлежит большинство вирусов растений, бактериофаги (вирусы, уничтожающие микробов), а также вирусы кори, свинки, гриппа. Сюда же относятся возбудители многих заболеваний верхних дыхательных путей, которые обычно называют «простудными», но которые на самом деле вызываются многочисленными вирусами.
Третья группа состоит из мельчайших вирусов (по величине они ненамного больше крупных белковых молекул) с размером частиц от 20 до 30 нанометров. В этой группе находятся вирусы полиомиелита, желтой лихорадки, энцефалитов и многие возбудители тропических лихорадок.
Ученые подсчитали, что если диаметр крупных вирусов превышает диаметр мелких всего лишь в 30 раз, то разница в их объеме составляет более 25 тысяч раз.
Подавляющая масса вирусных частиц (вирионов), которые поражают человека и животных, имеет форму шара, а у вирусов растений — вытянутый цилиндр. Хотя длина цилиндра вируса табачной мозаики достигает 350 нанометров, в оптическом микроскопе он все же невидим: поперечник цилиндра не превышает 15 нанометров, а такие величины в оптическом микроскопе разглядеть нельзя.
Исследования знаменитого теперь американского биохимика, лауреата Нобелевской премии У. Стенли начались в 1935 году и пролили затем свет на состав вирусов. Из сока растений, пораженных вирусом табачной мозаики, Стенли выделил высокомолекулярные соединения. После тщательной очистки выяснилось, что это сложная комбинация нуклеиновой кислоты и белка. Это вещество получило название нуклеопротеин. Оно могло даже заражать здоровые растения, вызывая болезнь — табачную мозаику.
Однако самые существенные различия между вирусами и микробами обнаружили, когда вирусы разобрали, если можно так выразиться, на составные части. Наука создала за последние годы много новых ферментов и реактивов, чтобы с более чем ювелирной точностью отделить друг от друга различные компоненты тела вируса или микробной клетки, получить их в чистом виде и достаточно точно изучить. Трудно даже вообразить себе эту точность, при которой ученые оперируют величинами, измеряемыми миллионными долями микрона!
Вирусы под различными углами просвечивали рентгеновскими лучами, измеряли величину электромагнитных колебаний их атомов, разделяли вирусные белки и нуклеиновые кислоты, определяли последовательность аминокислот в белке. Анализ всех фактов проводили с помощью сложнейших электронно-вычислительных машин за считанные дни, а не за долгие годы, как это делалось еще совсем недавно. И вот в результате такого скрупулезного исследования вирусов удалось установить совершенно неожиданный факт: у них нет никакого сходства с клеточной организацией, типичной для всех существующих на земле организмов!
В центре каждого вириона, образуя его сердцевину, лежит нуклеиновая кислота. Снаружи располагаются белковые молекулы, образующие своего рода защитное покрытие, так называемый «чехол». Они состоят из 20 хорошо известных аминокислот, из которых сотканы белковые молекулы всех живущих на земле существ.
Чтобы определить вес целой вирусной частицы или отдельных ее компонентов, используют ультрацентрифугу. Отличается она от обычной центрифуги тем, что здесь развивается скорость вращения порядка 100 тысяч оборотов в минуту и создается сила тяжести, превышающая земное притяжение в несколько сот тысяч раз.
Если в ультрацентрифугу поместить пробирку, содержащую концентрированный раствор сахара или какой-либо соли, а поверх него — суспензию вируса, то при определенных скоростях вращения вирус будет оседать, двигаться по направлению к дну пробирки, как бы продавливаясь через плотный слой лежащего ниже раствора. По глубине погружения вируса в плотный раствор сахара или соли можно вычислить молекулярный вес частицы или отдельных ее компонентов.
За единицу измерения приняли дальтон — вес самого маленького атома в природе — атома водорода. Оказалось, что у мелкого вируса полиомиелита вес вирусной РНК, являющейся геномом, хранителем наследственной информации вируса, не превышает 1—2 миллионов дальтон, у крупного вируса оспы достигает 200 миллионов. А средний вес генома бактериальной клетки достигает 1—10 биллионов дальтон.
Аминокислоты вирусного чехла соединены друг с другом последовательно в различных сочетаниях и образуют линейные цепочечные структуры (полипептиды). Их молекулярный вес варьирует от нескольких тысяч до сотен тысяч дальтон. Так, наружный слой вируса табачной мозаики образует 2200 «кирпичиков» белка совершенно идентичного состава, которые группируются в правильном порядке.
Структура различных вирусов отличается большей или меньшей степенью сложности. Если наиболее простые мелкие вирусы состоят только из обособленной молекулы РНК и белка, то более крупные обладают и наружной оболочкой, своего рода «упаковочным конвертом», в состав которого входят не только белки, но углеводы и липиды (жировые вещества).
Наиболее сложно устроены бактериофаги («пожиратели бактерий»). По форме они напоминают гимнастическую булаву. В их шаровидной головке помещена нуклеиновая кислота. Длинный отросток булавы представляет собой полый чехол, построенный из молекул белка. С помощью этого отростка бактериофаг прикрепляется к оболочке или к жгутикам бактерий, внедряет конец отростка в цитоплазму микроба и впрыскивает, как через шприц, свою нуклеиновую кислоту.
Белки, входящие в состав любого вируса, отличаются по структуре от белков поражаемых клеток. Каждый белок является антигеном, то есть веществом, способным вызвать образование антител. Разница в строении молекул вирусного белка и клеточного ведет к тому, что при введении животному эти белки вызывают образование совершенно разных антител, реагирующих только со своими антигенами. Антитела против клеточных белков соединяются только с ними и не соединяются с вирусами. Антитела против вируса не реагируют с белками клетки. Именно благодаря таким различиям специальные лабораторные приемы позволяют распознать присутствие вируса внутри зараженной клетки.