Virussen ontsluierd via de plantkunde

Hoewel we doorheen de geschiedenis regelmatig te maken hebben gehad met afschrikwekkende pandemieën, te wijten aan virussen, zijn het toch geen geneeskundigen die als eersten op het spoor komen van deze onzichtbare organismen. Die rol was weggelegd voor een groep van plantenbiologen. Hun studieobject: het tabaksmozaïekvirus, afgekort TMV.

 

Tabaksbladeren, besmet met TMV
Bron: University of Georgia Plant Pathology, University of Georgia, Bugwood.org; Forestry Images

TMV, een virus met stijl

Uit de naam zou je kunnen afleiden dat enkel tabaksplanten met het virus kunnen worden besmet – niets is minder waar. Minstens 350 andere plantensoorten kunnen een infectie oplopen met het virus. En ook al verschillen de symptomen van plantensoort tot soort, toch zijn er een aantal algemeenheden te bespeuren: de besmette planten blijven klein, hun bladeren krijgen groene en gele vlekken strepen (zoals een mozaïek, vandaar de naam) en ze krijgen een algemeen misvormd uiterlijk.

De belangrijkste manier waarop TMV van plant tot plant wordt overgedragen, is via mechanisch contact – zeg maar aanraking. Contact tussen de planten en mensenhanden beschadigt de kleine bladhaartjes en de buitenste cellen van de plant, en er blijft een beetje plantensap hangen. We ruiken dat ook: samen met dat sap blijft ook de geur van tabak of tomatenplanten blijft aan onze vingers kleven – en dus ook de virusjes die in dat sap zitten. Bovendien is het virus gehard tegen de omstandigheden buiten de plantencel: het overleeft ook in opgedroogd sap, op gereedschappen, werkhandschoenen, zakken waar de planten hebben ingezeten, deurklinken… Zelfs in gedroogde bladeren blijft het virus zitten. Wanneer de bladeren van de tabak na het oogsten worden gedroogd, is de teler dus niet van de ziekte vanaf. Al wat in contact komt met deze bladeren (van de handen van de arbeiders die ze verpakken tot de zakken waarin de bladeren terecht komen – alles blijft besmet. En het virus kan er jaren op overleven – zelfs de sigaren en sigaretten waar de besmette bladeren in verwerkt zitten. En het is net die eigenschap die het TMV een taaie klant maakt.

Wanneer we de besmette planten stekken (door stukjes af te halen van de oorspronkelijke plant en die weer te laten wortelen), halen we trouwens het virus niet weg, en ook de nieuwe plantjes blijven symptomen vertonen. Enkel de groeipunten (aan de uiteinden van de stengel, waar zich nieuwe bladknoppen vormen) zijn virusvrij.

 

Tabaksmozaïekvirus is een enkelstrengig (+)-RNA-virus. Het behoort tot een grote groep van verwante virussen die een breed scala aan planten infecteren, vooral dan tabak en andere leden van de Nachtschadefamilie.
Bronnen: schema’s: Servier Medical Art, CC BY 3.0
Foto tabaksmozaïekvirus: T. Moravec. Wikipedia, publiek domein

 

Structureel gezien is het TMV een naakt (+)-RNA-virus, met de vorm van een lang staafje. Het RNA binnenin is voldoende om de cel te infecteren (zoals we al eerder besproken hebben), maar de eiwitmantel of capside eromheen beschermt dit RNA wanneer het virus van de ene plantencel naar de volgende reist. Wanneer het in een nieuwe gastcel aankomt, valt de eiwitmantel uit mekaar. Zoals bij veel virussen, heeft TMV een chemische schakelaar die ervoor zorgt dat het eiwit lichtjes van vorm verandert in de juiste omgeving. In het geval van TMV zijn het calciumionen die die vormverandering in gang zetten. Wanneer er niet veel calciumionen te vinden zijn in de buurt van het virus, beginnen de eiwitten zich van mekaar af te duwen, Daarbij komen er aan het uiteinde van het virusstaafje een stuk RNA vrij. De ribosomen van de plantencel binden zich dan automatisch vast op dat RNA om viruseiwit te beginnen maken. Daarbij glijden ze overheen het RNA, en als een ritssluiting rijten ze daarbij de rest van de capside open.

In ieder geval is TMV een niet te onderschatten bedreiging voor verschillende landbouwgewassen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de plantenziekte al zeer lang bestudeerd wordt door landbouwkundigen en microbiologen. Zelfs in de tweede helft van de negentiende eeuw.

 

Het gif in de tabak

In 1884 had de microbioloog Robert Koch een reeks voorwaarden gepubliceerd (ondertussen bekend als de Postulaten van Koch), die onderzoekers in staat moesten stellen om ontegensprekelijk aan te tonen dat een bepaald organisme verantwoordelijk was voor een bepaalde ziekte. Koch dacht hierbij wellicht aan bacteriën: hijzelf heeft in de loop van zijn carrière de bacteriën ontdekt die anthrax, cholera en tuberculose veroorzaken. De Postulaten werken echter even goed voor ziekteverwekkende schimmels of eencelligen (zoals malaria en slaapziekte).

Dit zijn de vier stappen die een onderzoeker volgens Koch moest zetten:

  1. Het verdachte organisme moet teruggevonden worden bij de meeste patiënten die aan die bepaalde ziekte lijden.
  2. Het organisme moet van uit die patiënt kunnen worden geïsoleerd en in reincultuur worden gekweekt (en met een reincultuur bedoelen we dat er in de kweek geen enkel ander organisme mee mag groeien).
  3. Wanneer een gezonde proefpersoon (of een proefdier) besmet wordt met die gekweekte ziekteverwekker, wordt die op zijn beurt ziek.
  4. In die nieuwe patiënt moet de onderzoeker opnieuw het ziekteverwekkende organisme kunnen terugvinden en het weer in een reincultuur kweken.

 

Heinrich Hermann Robert Koch (Clausthal, 11 december 1843 - Baden-Baden, 27 mei 1910) was een Duitse arts. Hij begon zijn studie geneeskunde in 1862 aan de universiteit van Göttingen, en verwierf beroemdheid met de ontdekking van de oorzaak van tuberculose in 1882 en cholera in 1883, en door zijn ontwikkeling van Kochs postulaten. In 1905 ontving hij de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde.
Foto publiek domein.

 

Onderzoekers die tot taak hadden om de verwekker van een of andere ziekte te vinden, volgden massaal de redeneringen van Koch. Zo ook dr. Adolf Mayer, aan de universiteit van Wageningen in Nederland. Op vraag van de tabakstelers in Utrecht en Gelderland, die al decennia lang te kampen hebben met een mysterieuze ziekte op hun planten, ging hij op zoek naar de oorzaak. Hij geeft ze ook een naam: tabaksmozaïekziekte. In 1886 toonde hij aan dat het sap van een zieke tabaksplant inderdaad de ziekte kan overbrengen op gezonde planten. Alleen kon hij niet voldoen aan de postulaten van Koch: hoe zeer hij het ooit probeerde, hij kreeg het mysterieuze organisme niet in kweek.

Ook Dimitri Ivanovski uit Sint-Petersburg waagde zich aan het probleem, in opdracht van de Russische overheid. In 1892, na observaties in Bessarabië, Oekraïne en op de Krim, publiceerde hij zijn bevindingen: “Ik ontdekte dat het sap van bladeren, aangevallen door de mozaïekziekte, zijn besmettelijke eigenschappen behoudt, zelfs na filtratie door een Chamberland?lter.” Deze Chamberlandfilters zijn porseleinen filters met een poriegrootte van 0,1-0,5 µm, waar bacteriën niet doorheen geraken. Het gefiltreerde sap was met andere woorden volledig bacterievrij.

In 1898 bevestigt de Nederlandse microbioloog Martinus Beijerinck dat zelfs filters die normaal alle (toentertijd gekende) bacteriën tegenhielden, toch de mysterieuze infectieuze component niet stopten. Kookte hij het sap, of voegde hij er formaldehyde aan toe (een stof die eiwitten laat denatureren), dan kon de infectie worden tegengehouden – en nu begrijpen we waarom. Bij gebrek aan een levende, kweekbare ziekteverwekker had Beijerinck het dan maar over een contagium vivum fluidum, letterlijk “een besmettelijke levende stof”. Hij voerde ook de term virus in, de Latijnse term voor vergif, werd ingevoerd. Het grondige werk van Beijerinck is echter het meest gedetailleerde dat er tot dan toe over TMV was verschenen in de vakliteratuur. Hij ontdekte dat het virus zich bij voorkeur vermenigvuldigt zich in jonge bladeren en wortels, dat het door de plant reist in het floëem en dat het kan overleven in de resten van dode, besmette planten in de bodem (en zo nieuwe kiemlingen kan besmetten).

 

 

Van links naar rechts: Adolf Meyer (1843–1942), Dmitri Ivanovski  (1864–1924), Martinus Beijerinck(1851–1931), Wendell Stanley (1904-1971)
Bronnen: Meyer: J. & L . Allgeyer, Karlsruhe/Rastatt, publiek domein
Ivanovski: publiek domein
Beijerinck: Wikimedia;  Proceeding of the Royal Society of London, 1931-1932, Wellcome Trust, CC BY 4.0
Stanley: publiek domein

 

Pas in de jaren 1930 kon met andere filtreertechnieken worden aangetoond dat het TMV uit kleine deeltjes bestaat, van 10-100 nm groot. Wendell Stanley, een organisch scheikundige, had ondertussen (in 1935) TMV kunnen opzuiveren als een soort kristal, en ontdekte dat het voor 90% uit eiwitten bestond. Hij stelde ook vast dat zelfs die kristallen nog steeds de ziekte konden opwekken in een tabaksplant. Anderen merkten bovendien op dat het TMV ook voor 5% uit RNA bevatte – vergeet niet dat het in de jaren 1930 nog totaal niet geweten was wat DNA en RNA juist deden in de cel… TMV werd vervolgens ook het eerste virus dat we onder een elektronenmicroscoop konden waarnemen (in 1939), en in 1955 konden Heinz Fraenkel-Conrat en Robley Williams het virus in een proefbuis weer tot leven wekken, uit afzonderlijk opgezuiverde eiwitten en RNA.

 

Fragmenten van TMV die “in vitro”, in een proefbuis of een laboratoriumomgeving, los van elke cel, zijn gevormd uit eiwitten en RNA.
Bron: Reconstitution of active tobacco mosaic virus from its inactive protein and nucleic acid components. (1955) PNAS USA 41: 690–698
AJ Cann, Flickr, CC BY-SA 2.0

 

 

Rosalind Franklin (1920-1958) had vlak voor haar veel te vroeg overlijden de hypothese uitgewerkt dat het virus geen volle, maar een holle eiwitcilinder was. Ze had daarbij een model gebouwd dat op de Wereldtentoonstelling van 1958 in Brussel te zien was. Zij was ook de eerste die suggereerde dat het RNA van TMV enkelstrengig was. Frankin is overigens het best bekend als de onderzoekster wiens kristallografisch werk aantoonde dat DNA de ondertussen bekende dubbele helix-vorm heeft.

 

En ook daarna bleven wetenschappers de geheimen van het TMV ontsluieren. In 1955, twee jaar nadat James Watson en Crick aantoonden hoe DNA bijdraagt tot de overerving van genetische informatie, toonden Gierer en Schramm aan, dat die rol bij het TMV werd overgenomen door het RNA in het virus. In 1982 werd het hele genoom van TMV volledig gesequeneerd (zie MeNS 78 - Systeembiologie voor meer info over sequenties en sequentiebepalingen), en in 1986 verhaalde een artikel in het vakblad Science hoe men transgene planten had verkregen, die resistent waren tegen het TMV. TMV was met andere woorden gedurende de hele twintigste eeuw een van de motoren voor de ontwikkeling van de virologie. Of hoe een virusje dat tabaksplanten aantast, ons heel wat heeft kunnen leren…

 

Deze blogpost is een aanvulling op Elementair, onze podcast over wetenschap, te vinden op Spotify en op Libsyn.

Deze podcast wordt gesteund door het Fonds Ernest Solvay via de Koning Boudewijnstichting

Geplaatst door Geert op 14/04/2020 om 19:03