elgavrilis's blog

Ένα πανταχού παρόν παράσιτο είχε αποκτήσει αντοχή στα αντιβιοτικά και προκαλούσε επιδημίες πυώδους λοίμωξης στα νοσοκομεία. Η καταπολέμησή του μετά δεκαετία του 1950 που το πρόβλημα εκδηλώθηκε πιεστικά, απαιτούσε ανανεωμένη έρευνα και επιστροφή σε ασηπτικές και αντισηπτικές ρουτίνες  και πρωτόκολλα.

Στα μέσα του 20ου αιώνα, η τεχνολογία της σύγχρονης ιατρικής είχε κινητοποιηθεί για να αντιμετωπίσει την αυξανόμενη εξάπλωση της πυώδους λοίμωξης, στην οποία η ίδια η τεχνολογία έχει παίξει έναν αμφίβολο ρόλο. Ως γνωστόν η επιλεκτική πίεση από τα αντιβιοτικά δημιουργεί ανθεκτικά στελέχη.  Οι επικρατούσες λοιμώξεις εκδηλώνονταν σε μια ποικιλία παθήσεων, από αποστήματα και εξανθήματα έως θανατηφόρα δηλητηρίαση αίματος και πνευμονία. Όλες οι περιπτώσεις οφείλονταν σε ορισμένα στελέχη του γνωστού και πανταχού παρόντος σταφυλόκοκκου. Αυτά τα στελέχη διακρίνονται από τη μεταδοτικότητα και τη λοιμογόνο δράση τους, καθώς και από την υψηλή αντοχή τους στα αντιβιοτικά. Είναι, στην πραγματικότητα, το προϊόν της επιλογής από τα αντιβιοτικά. Από κακή τυχαιότητα, αυτά τα ανθεκτικά στελέχη τυχαίνει να φέρουν τα πιο επιβλαβή χαρακτηριστικά του γένους τους. Οι εστίες επιπολασμού είναι τα νοσοκομεία, όπου τα αντιβιοτικά άρχισαν να χρησιμοποιούνται εκτενώς από εκείνη την περίοδο στις αρχές της 10ετίας του 50, όχι μόνο για τη θεραπεία διαγνωσμένων λοιμώξεων, αλλά και για προφυλακτικούς σκοπούς, συχνά παραμελώντας τις τυπικές ρουτίνες της ασηψίας και της αντισηψίας. Αυτή η ειρωνική τροπή των γεγονότων, έπιασε τους γιατρούς απροετοίμαστους με εναλλακτικές λύσεις στα αντιβιοτικά.  Η εμφάνιση των «θαυματουργών» φαρμάκων, των σουλφοναμιδών τη δεκαετία του 1930 και των αντιβιοτικών τη δεκαετία του 1940, αποθάρρυνε το ενδιαφέρον και την υποστήριξη για τις κλασικές κατευθύνσεις της βακτηριολογικής έρευνας, ακριβώς τη στιγμή που αυτές έφταναν στο αποκορύφωμά τους όσον αφορά τη σταφυλοκοκκική λοίμωξη.

Φυσικά, η μόλυνση ήταν ο κοινός κίνδυνος της παραμονής στο νοσοκομείο, καθ’ όλη τη διάρκεια των αιώνων πριν από την εισαγωγή των αντισηπτικών και των απολυμαντικών στις τελευταίες δεκαετίες του 19ου αιώνα. Οι σταφυλόκοκκοι, μαζί με τους πνευμονιόκοκκους και τους στρεπτόκοκκους, ήταν οι κύριοι παράγοντες που επηρέασαν την ασθένεια. Αυτοί και ορισμένοι άλλοι λιγότερο γνωστοί μικροοργανισμοί είναι «οπορτουνιστές εισβολείς». Συνδέονται στενά με τον άνθρωπο στο άμεσο περιβάλλον του, αλλά δεν προκαλούν απαραίτητα ασθένεια, εκτός εάν τους δίνεται πρόσβαση σε ευάλωτους ιστούς λόγω διαταραχών στην κανονική άμυνα του σώματος ή λόγω γενικής ή τοπικής αδυναμίας. Οι λοιμώξεις από πνευμονιόκοκκους και στρεπτόκοκκους είχαν υψηλό ποσοστό θνησιμότητας. Οι σταφυλόκοκκοι, από την άλλη πλευρά, συχνά προκαλούσαν ηπιότερες λοιμώξεις και οι ασθενείς που τους προσέβαλαν διέδωσαν τα νοσοκομειακά στελέχη σε όλο τον κόσμο. Το 1852, ένας Βρετανός γιατρός ονόματι T. Hunt περιέγραψε την επικράτηση στα μέσα του 19ου αιώνα «καρβουνκίλων, βράχων, φλύκταινων, και επιφανειακών συλλογών «πυώδους ύλης» ως «τη φουρουντοειδική» επιδημία. Ο Leonard Colebrook, γράφοντας έναν αιώνα αργότερα για αυτή την «πιο μαύρη περίοδο σε όλη την ιστορία των νοσοκομειακών λοιμώξεων», αποδίδει μια μεγάλη ποικιλία ασθενειών στους σταφυλόκοκκους. Η περιγραφή του -συμπεριλαμβανομένων των μετεγχειρητικών λοιμώξεων, των δερματικών παθήσεων, των οφθαλμικών λοιμώξεων και της πνευμονίας σε νεογέννητα βρέφη, της φλεγμονής του μαστού, των επιδημιών δερματικών παθήσεων στις οικογένειες βρεφών που γεννήθηκαν στο νοσοκομείο- υποδηλώνει δυσάρεστα την «τρέχουσα εμπειρία».

Για λόγους εν μέρει ιστορικούς και εν μέρει βιολογικούς, γνωρίζουμε σήμερα λιγότερα για τους σταφυλόκοκκους παρά για τους άλλους οπορτουνιστές εισβολείς. Η συχνότητα εμφάνισης και η θνησιμότητα της λοβιακής πνευμονίας, που προκαλείται από τους πνευμονιόκοκκους, ενέπνευσε μια λαμπρή σειρά ερευνών στις αρχές του αιώνα υπό την ηγεσία των Rufus Cole, A. R. Dochez, Oswald T. Avery και Michael Heidelberger στο Νοσοκομείο του Ινστιτούτου Rockefeller στη Νέα Υόρκη. Αυτές οι μελέτες, που συνεχίζονται ακόμη, έχουν οδηγήσει σε μια σαφή κατανόηση των πολλών τύπων πνευμονιόκοκκου και της αλληλεπίδρασής τους με τα αμυντικά υγρά και τα κύτταρα των ανθρώπων και των ζώων που τους φιλοξενούν. Από πρακτικής άποψης, απέδωσαν θεραπευτικούς ορούς αλόγων και, αργότερα, διαγνωστικούς και θεραπευτικούς ορούς κουνελιών. Αυτές οι τεχνικές, ωστόσο, δεν τέθηκαν σε ευρεία κλινική χρήση, καθώς ακριβώς εκείνη την εποχή ξεκίνησε η εποχή της χημειοθεραπείας.

Οι αιμολυτικοί στρεπτόκοκκοι, ως παράγοντες θανατηφόρων μετεγχειρητικών και επιλόχειων λοιμώξεων, προσέλκυσαν την προσοχή της ίδιας ομάδας ερευνητών στο Ινστιτούτο Rockefeller. Μια άλλη λαμπρή σειρά μελετών, που διεξήχθη κυρίως από την Rebecca Lancefield, διευκρίνισε τη χημεία των πολλών ομάδων και τύπων στρεπτόκοκκων και ανέπτυξε έναν πλούτο πληροφοριών σχετικά με την οργάνωση αυτών των νοσογόνων παραγόντων και τις ουσίες που παράγονται κατά τον μεταβολισμό τους. Από αυτή τη γνώση προέκυψαν τεχνικές για τη διάγνωση και την επιδημιολογική μελέτη. Το έργο συνεχίζεται στην προσπάθεια κατανόησης και πρόληψης του ρευματικού πυρετού και ορισμένων μορφών νεφρικής νόσου.

Έτσι, μια στέρεη βάση γνώσης σχετικά με τη φυσική ιστορία των πνευμονιόκοκκων και των στρεπτόκοκκων ήταν διαθέσιμη όταν οι χημειοθεραπευτικοί παράγοντες έγιναν διαθέσιμοι. Ευτυχώς, η συνδυασμένη δράση του κατάλληλου παράγοντα και των φυσικών αμυντικών μηχανισμών καταστρέφει αποτελεσματικά αυτούς τους εισβολείς στο σώμα. Επιπλέον, οι πνευμονιόκοκκοι και οι στρεπτόκοκκοι μέχρι στιγμής δεν έχουν εκδηλώσει μεγάλη τάση να αποκτήσουν αντοχή στις σουλφοναμίδες ή τα αντιβιοτικά.

Κατά το πρώτο μισό αυτού του 20ου αιώνα οι τρομεροί πνευμονιόκοκκοι και στρεπτόκοκκοι επισκίασαν αρκετά τη σημασία των σταφυλόκοκκων. Δεν αφιερώθηκε συγκρίσιμη συγκέντρωση πόρων και ερευνητικής προσπάθειας σε αυτά τα μικρόβια και τις λοιμώξεις που προκαλούν. Αλλά με την καταστολή άλλων ευκαιριακών εισβολέων, οι σταφυλοκοκκικές λοιμώξεις τώρα ξεχωρίζουν με σαφέστερη ανακούφιση. Οι λοιμώξεις και οι πνευμονίες που προκαλούνται από σταφυλόκοκκους στα νοσοκομεία αποτελούν πλέον μια σημαντική απειλή, ιδιαίτερα για τους σοβαρά ασθενείς, τους χειρουργικούς ασθενείς και τα νεογέννητα βρέφη. Υπάρχουν ήδη σαφείς ενδείξεις ότι οι σταφυλοκοκκικές λοιμώξεις των νοσοκομείων γίνονται προβλήματα της κοινότητας στο σύνολό της.

Η κατάσταση επιδεινώνεται από την ικανότητα των σταφυλόκοκκων να γίνονται ανθεκτικοί στα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούνται εναντίον τους. Τα ανθεκτικά στελέχη όχι μόνο έχουν μολύνει ασθενείς, αλλά έχουν αποικίσει και υγιή μέλη του ιατρικού, νοσηλευτικού και οικιακού προσωπικού και βρίσκονται σε λανθάνουσα κατάσταση στη σκόνη, τα στρώματα και τις κουβέρτες των νοσοκομείων, εκτός εάν λαμβάνεται σχολαστική προσοχή σε όλες τις νοσοκομειακές διαδικασίες.

Ο ρόλος των αντιβιοτικών στην επιλογή αυτών των στελεχών μπορεί να φανεί στην παρακάτω εικόνες – photo από ηλεκτρονιομικρογραφίες που φαίνονται στο αριστερό μέρος της σελίδας.

Τα λευκά αιμοσφαίρια υπερασπίζονται το σώμα από τους εισβάλλοντες σταφυλόκοκκους, κατακλύζοντάς τους. Στα αριστερά, ένα κύτταρο έχει καταπιεί τρεις σταφυλόκοκκους, οι οποίοι αποσυντίθενται (κυκλικές μάζες πάνω και κάτω από τον γκρι, λοβωτό πυρήνα). Το κύτταρο στα δεξιά, ωστόσο, καταστρέφεται από μεταβολικά προϊόντα λοιμωδών σταφυλόκοκκων που επιβιώνουν μετά την κατάποση. Αυτές οι ηλεκτρονικές μικροφωτογραφίες, που ελήφθησαν από τον Joseph R. Goodman του Νοσοκομείου Διοίκησης Βετεράνων στο Long Beach της Καλιφόρνια, μεγεθύνουν τα δύο δείγματα κατά περίπου 13.000 φορές.

Όταν τα αντιβιοτικά δεν χρησιμοποιούνταν ευρέως ή όπου, όπως σε ένα ψυχιατρικό νοσοκομείο, χρησιμοποιούνται σπάνια, οι ανθεκτικοί και νοσογόνοι σταφυλόκοκκοι μπορεί να μην είναι διαδεδομένοι μεταξύ των ασθενών και του προσωπικού. Αλλά σε νοσοκομεία όπου χρησιμοποιούνται συχνά αντιβιοτικά, η συχνότητα εμφάνισης ανθεκτικών οργανισμών είναι υψηλή. Απαιτείται η πιο σχολαστική και συνεχής φροντίδα για την ελαχιστοποίηση της μόλυνσης από αυτά. Μερικά από τα νεότερα αντιβιοτικά έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικά, αλλά αυτά τα ανθεκτικά στελέχη δείχνουν εκπληκτική προσαρμοστικότητα στην απόκτηση αντοχής ακόμη και στα νέα αντιβιοτικά.

Τα «νοσοκομειακά στελέχη» αναγνωρίστηκαν για πρώτη φορά ως επιδημικά στην Αυστραλία, όπου οι σταφυλόκοκκοι έχουν ταυτοποιηθεί ως στέλεχος από το 1949. Οι σταφυλόκοκκοι ομαδοποιούνται ανάλογα με τους τύπους βακτηριακού ιού ή φάγου που θα τους επιτεθούν. Υπάρχουν τέσσερις κύριες ομάδες σταφυλοκοκκικών φάγων, καθεμία από τις οποίες περιλαμβάνει πολλούς διαφορετικούς τύπους. Οι φάγοι είναι ιδιαίτερα επιλεκτικοί σε σχέση με τους βακτηριακούς ξενιστές στους οποίους επιτίθενται, αλλά ένα στέλεχος σταφυλόκοκκου μπορεί να είναι ευαίσθητο σε επίθεση από διάφορους φάγους της ίδιας ομάδας. Το πρότυπο ευαισθησίας στους φάγους παρέχει ένα μέσο για την αναγνώριση συγκεκριμένων στελεχών βακτηρίων και την ανίχνευση πηγών και οδών επιδημικής μόλυνσης. Τα πρότυπα δεν παρέχουν τόσο βέβαιη αναγνώριση μεμονωμένων στελεχών όσο, ας πούμε, τα δακτυλικά αποτυπώματα στην περίπτωση των ανδρών. Αντίθετα, προσδιορίζουν ομάδες στελεχών που έχουν κοινά χαρακτηριστικά.

Οι πρώτοι σταφυλόκοκκοι που εμφανίστηκαν υπό την πίεση επιλογής των αντιβιοτικών έτειναν να είναι ευαίσθητοι στους λεγόμενους φάγους Ομάδας III. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, οι σταφυλόκοκκοι ευαίσθητοι στους φάγους της Ομάδας Ι έχουν εμφανιστεί ακόμη πιο συχνά από εκείνους ευαίσθητους στην Ομάδα III ως «επιδημικά στελέχη» ανθεκτικά στα αντιβιοτικά. Οι Phyllis Rountree και B. M. Freeman από το Σίδνεϊ της Αυστραλίας, έχουν σημειώσει ότι τα περισσότερα κρούσματα σταφυλοκοκκικής λοίμωξης σε νεογέννητα βρέφη σε αυτήν την πόλη από το 1954 οφείλονταν στο στέλεχος της Ομάδας Ι, ευαίσθητο στον φάγο με αριθμό 80. Παρατήρησαν επίσης μια επακόλουθη αύξηση της συχνότητας εμφάνισης αυτού του στελέχους μεταξύ ασθενών που νοσηλεύονταν για γενικευμένη σταφυλοκοκκική λοίμωξη, υποδεικνύοντας ότι το νοσοκομειακό στέλεχος έχει εξαπλωθεί στην κοινότητα.

Παρόμοιες αλλαγές στην εικόνα της σταφυλοκοκκικής νόσου έχουν παρατηρηθεί και σε άλλες περιοχές. Σταφυλόκοκκοι ευαίσθητοι στον φάγο 80 ή στον στενό συγγενή του 81 (που ομαδοποιούνται σε διεθνή συντομογραφία ως σταφυλόκοκκος 80/81) έχουν εμπλακεί σε επιδημίες στην Ολλανδία, τη Ρουμανία, το Ηνωμένο Βασίλειο και τον Καναδά, καθώς και σε πολλά μέρη των ΗΠΑ.

Ο John E. Blair του Νοσοκομείου για Αρθρικές Παθήσεις στη Νέα Υόρκη έχει τυποποιήσει σταφυλόκοκκους που έχουν ληφθεί από νοσοκομεία σε όλες τις ΗΠΑ. Αναφέρει: «Οι σταφυλόκοκκοι Τύπου 80/81 έχουν εξαπλωθεί ευρέως σε αυτή τη χώρα τα τελευταία τρία ή τέσσερα χρόνια και είναι προς το παρόν υπεύθυνοι για πολλά, αλλά σε καμία περίπτωση για όλα, τα κρούσματα νοσοκομειακών λοιμώξεων». Σε μια πανεθνική έρευνα το φθινόπωρο του 1957, διαπίστωσε ότι οι σταφυλόκοκκοι που προκαλούσαν λοιμώξεις «ήταν κυρίως μέλη της Ομάδας III των φάγων ή ήταν Τύπου 80/81» και «ένα μεγάλο ποσοστό των στελεχών της Ομάδας III και σχεδόν όλα τα στελέχη Τύπου 80/81 ήταν ανθεκτικά στην πενικιλίνη, τις τετρακυκλίνες και τη στρεπτομυκίνη».

Η εισβολή στα νοσοκομεία και στις κοινότητες γενικότερα από εξαιρετικά μεταδοτικούς, ανθεκτικούς στα αντιβιοτικά σταφυλόκοκκους έχει προκαλέσει έντονη αντίδραση από μεγάλους ιατρικούς και επιστημονικούς οργανισμούς. Κατά τη διάρκεια του περασμένου έτους, η Αμερικανική Ένωση Δημόσιας Υγείας, η Αμερικανική Ιατρική Ένωση, η Αμερικανική Ακαδημία Παιδιατρικής, η Υπηρεσία Δημόσιας Υγείας των ΗΠΑ, μαζί με το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, έχουν χρηματοδοτήσει συνέδρια σχετικά με το πρόβλημα. Ορισμένες πολιτειακές, κομητειακές και δημοτικές υπηρεσίες υγείας έχουν αναθέσει σε υγειονομικούς υπαλλήλους το συγκεκριμένο έργο της αντιμετώπισης των προβληματικών εστιών στις περιοχές τους. Ωστόσο, απαιτείται περισσότερη δράση σε πολύ περισσότερες κοινότητες.

Οι ερευνητές και οι κλινικοί γιατροί που παρακολούθησαν τα συνέδρια συμφώνησαν ότι τα νοσοκομεία θα πρέπει να χρησιμοποιούν αντιβιοτικά με μεγαλύτερη διάκριση, ειδικά όταν λαμβάνονται υπόψη για προφυλακτικούς σκοπούς, και να επιστρέψουν στις τεχνικές της αυστηρής ασηψίας και της έντονης αντισηψίας. Αυτές οι τεχνικές έχουν σχεδιαστεί για να ελαχιστοποιούν την έκθεση ενός ασθενούς σε όλους τους μικροοργανισμούς. Σε ορισμένα νοσοκομεία, απλά μέτρα όπως η χρήση διπλής μάσκας στο χειρουργείο ή το μπάνιο των βρεφών με διάλυμα εξαχλωροφαίνης έχουν βοηθήσει στον έλεγχο της εξάπλωσης των σταφυλόκοκκων. Οι συμμετέχοντες στο συνέδριο έχουν επίσης ζητήσει την αναγνώριση επικίνδυνων φορέων σταφυλόκοκκων μεταξύ των φαινομενικά υγιών μελών του προσωπικού του νοσοκομείου και την απομόνωση κλινικών περιπτώσεων.

Εικόνα αριστερά: Η ΑΥΞΗΣΗ ΤΩΝ ΑΝΘΕΚΤΙΚΩΝ ΣΤΑΦΥΛΟΚΟΚΚΩΝ είναι παράλληλη με την αυξανόμενη χρήση αντιβιοτικών. Το 1932, το 1948 σε ένα γενικό νοσοκομείο (Α) τα στελέχη που συλλέχθηκαν από ασθενείς περιλάμβαναν λίγους σταφυλόκοκκους Ομάδας III (γκρίζα γραμμή) και κανένα ανθεκτικό στις τετρακυκλίνες, οι οποίες δεν ήταν ακόμη διαθέσιμες. Σε δύο άλλα νοσοκομεία που χρησιμοποιούν μεγάλη αντιβιοτική θεραπεία, τα στελέχη που συλλέχθηκαν το 1953-1954 (Β) και το 1954-1955 (Γ) ήταν σε μεγάλο βαθμό ανθεκτικά τόσο στην πενικιλίνη (έγχρωμη γραμμή) όσο και στις τετρακυκλίνες (μαύρη γραμμή). Τα στελέχη περιλάμβαναν πολλά στελέχη Ομάδας III, σε αντίθεση με εκείνα από ψυχιατρική κλινική (Δ), όπου οι ασθενείς σπάνια λαμβάνουν αντιβιοτικά. Το διάγραμμα είναι από μια εργασία που παρουσιάστηκε σε συνέδριο για την νοσοκομειακή Σταφυλοκοκκική Νόσο τον Σεπτέμβριο του 1958.

Εικόνα αριστερά: ΟΙ ΛΟΙΜΩΞΕΙΣ σε χειρουργικά τραύματα έχουν αυξηθεί από το 1949 σε ένα νοσοκομείο, το οποίο πραγματοποιεί κατά μέσο όρο πάνω από 1.000 επεμβάσεις ετησίως. Η συχνότητα εμφάνισης σταφυλοκοκκικών λοιμώξεων (σκούρο χρώμα), καθώς και άλλων τύπων λοιμώξεων (ανοιχτό χρώμα), μειώθηκε το 1954, όταν εισήχθησαν αυστηρές προσπάθειες για την πρόληψη της εξάπλωσης μικροβίων στο νοσοκομείο.

Η αυστηρή εφαρμογή ασηπτικών και αντισηπτικών τεχνικών, ωστόσο, μπορεί στην καλύτερη περίπτωση να μειώσει το συνολικό ποσοστό μόλυνσης· δεν θα εξαλείψει το πρόβλημα. Σαφώς, πρέπει να καταβληθεί προσπάθεια για μακροπρόθεσμη βασική και κλινική έρευνα, ώστε να αυξηθεί η βασική κατανόηση του σταφυλοκοκκικού οργανισμού σε σχέση με τον άνθρωπο. Πρέπει να μάθουμε τουλάχιστον τόσα για τη σχέση ξενιστή-παρασίτου στη σταφυλοκοκκική νόσο, όσα γνωρίζουμε για τις πνευμονιοκοκκικές και στρεπτοκοκκικές λοιμώξεις.

Η σύγχρονη αντίληψη των μολυσματικών ασθενειών υποστηρίζει ότι η μόλυνση είναι μια ειδική περίπτωση παρασιτισμού, μια αλληλεπίδραση μεταξύ δύο βιολογικών συστημάτων, καθένα από τα οποία περιορίζεται από τις ανάγκες της δικής του επιβίωσης. Για να προκαλέσουν συνεχή μόλυνση στον ανθρώπινο οργανισμό, τα βακτήρια πρέπει προφανώς να είναι σε θέση να εισβάλουν στο σώμα, να πολλαπλασιαστούν σε αυτό, να παράγουν ουσίες που είναι κατά κάποιο τρόπο επιβλαβείς για το σύστημα και να αποκρούουν τις αμυντικές δυνάμεις του ξενιστή. Οι επιβλαβείς ουσίες ή τοξίνες που παράγονται από τα βακτήρια είναι πολλές και ποικίλες.

Το σώμα, από την άλλη πλευρά, παρουσιάζει μια σύνθετη σειρά αμυντικών δυνάμεων κατά της παρασιτικής εισβολής. Αυτές περιλαμβάνουν έναν αριθμό ουσιών που διαλύονται στα σωματικά υγρά, τη λυσοζύμη στα δάκρυα και το σάλιο, για παράδειγμα, και τους παράγοντες “συμπλήρωμα” και προπερδίνη που μεταφέρονται στο αίμα. Αυτές οι ουσίες δρουν αδιακρίτως έναντι πολλών παρασίτων. Η αποτελεσματικότητά τους ποικίλλει ανάλογα με τη γενική υγεία του σώματος ή με τη φύση του τραυματισμού. Γενικά, ωστόσο, η παραγωγή αυτών των ουσιών δεν διεγείρεται σε απόκριση σε συγκεκριμένα βακτήρια.

Τα λευκά αιμοσφαίρια αποτελούν μια ομάδα που είναι πάντα έτοιμη να αποκρούσει την παρασιτική εισβολή, κατακλύζοντας τους μικροσκοπικούς εισβολείς και στη συνέχεια χωνεύοντάς τους. Αυτά τα κύτταρα είναι δύο κύριων ειδών: τα εξαιρετικά κινητά, γρήγορα ανταποκρινόμενα αλλά κάπως ευάλωτα πολυμορφοπύρηνα λευκοκύτταρα, και τα πιο ανθεκτικά μακροφάγα. Από μόνα τους, ωστόσο, τα λευκά αιμοσφαίρια είναι μάλλον αναποτελεσματικά προστατευτικά. Η αποτελεσματικότητά τους ενισχύεται σε μεγάλο βαθμό από έναν άλλο τύπο αμυντικής ουσίας: τα αντισώματα, τα οποία προκαλούνται σε συγκεκριμένη απόκριση στην εισβολή συγκεκριμένων παρασίτων.

Τα αντισώματα, που παράγονται από τους λεμφικούς ιστούς, είναι δύο ειδών. Τα αντιβακτηριακά (ή αντιιικά) αντισώματα συνδυάζονται με συγκεκριμένα συστατικά της βακτηριακής (ή ιικής) επιφάνειας, παράγοντας μια νέα επιφάνεια γύρω από την οποία τα λευκά αιμοσφαίρια μπορούν να εξαπλωθούν και έτσι να κατακλύσουν πιο εύκολα το παράσιτο. Αυτά τα αντισώματα ενισχύουν επίσης την αντιβακτηριακή δράση των ουσιών του συμπληρώματος στο αίμα. Ο δεύτερος τύπος, τα αντιτοξικά αντισώματα, εξουδετερώνουν τις τοξίνες χημικά, χωρίς την παρέμβαση των λευκών αιμοσφαιρίων. Τα αντισώματα και των δύο τύπων είναι τόσο συγκεκριμένα στη χημική τους αρχιτεκτονική που θα συνδυαστούν μόνο με τις βακτηριακές ουσίες που τα προκαλούν.

Η έρευνα για τους πνευμονιόκοκκους και τους στρεπτόκοκκους έδωσε πολλά στοιχεία που θα καθοδηγήσουν τις τρέχουσες προσπάθειες ενίσχυσης της άμυνας του οργανισμού έναντι της σταφυλοκοκκικής λοίμωξης. Στην πρόληψη και θεραπεία της πνευμονιοκοκκικής λοίμωξης, για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι τα αντιβακτηριακά αντισώματα παίζουν καθοριστικό ρόλο. Αυτά έχουν τη δύναμη να συνδυάζονται ειδικά με τις κάψουλες υδατανθράκων που περικλείουν τα κύτταρα του παρασίτου και έτσι τα προετοιμάζουν για κατάποση από τα λευκά αιμοσφαίρια. Η έγχυση μικροσκοπικών ποσοτήτων καθαρού υλικού κάψας που εξάγεται από καλλιέργειες του εισβάλλοντος στελέχους προκαλεί την παραγωγή του αντίστοιχου αντισώματος. Ομοίως, το αντίσωμα ειδικό για μια πρωτεΐνη στην επιφάνεια ενός σημαντικού και λοιμογόνου στελέχους στρεπτόκοκκων παρέχει προστασία έναντι αυτού του παρασίτου. Στη φυματίωση, η αντοχή φαίνεται να εξαρτάται από την αύξηση της ικανότητας των μακροφάγων να καταστρέφουν τους βάκιλους της φυματίωσης μετά την κατάποσή τους. Ο εμβολιασμός με ένα ζωντανό αλλά ακίνδυνο στέλεχος βακίλων της φυματίωσης, το στέλεχος B.C.G., προκαλεί μια αυτοπεριοριζόμενη λοίμωξη που παρέχει ανοσία. Το εμβόλιο B.C.G. έχει πλέον χορηγηθεί σε περίπου 90 εκατομμύρια άτομα σε όλο τον κόσμο. Τα αντιτοξικά αντισώματα προσδίδουν ανοσία στη διφθερίτιδα και τον τέτανο. Μπορούν να προκληθούν με εμβολιασμό με τοξίνες που έχουν καταστεί αβλαβείς με επεξεργασία με φορμαλδεΰδη. Αυτά τα «τοξοειδή» διατηρούν αμετάβλητη την ικανότητά τους να προκαλούν τα συγκεκριμένα αντισώματα.

Εικόνα δεξιά: ΑΠΟΤΥΠΩΜΑ ΜΕ ΦΑΓΟΥΣ των σταφυλόκοκκων πραγματοποιείται με έλεγχο βακτηρίων έναντι διαφόρων τύπων φάγων. Σε κάθε τρυβλίο καλλιέργειας, ένα διαφορετικό στέλεχος εκτίθεται σε φάγους της Ομάδας Ι και IV (πρώτη στήλη, ανάγνωση από αριστερά), Ομάδα II (δεύτερη στήλη), Ομάδα III (τρίτη και τέταρτη στήλη) και φάγους διαφόρων τύπων (πέμπτη στήλη). Οι υπόλευκοι κύκλοι σε καλλιέργειες όπου δεν αναπτύχθηκαν βακτήρια αναγνωρίζουν τα στελέχη ως ευαίσθητα σε φάγους της Ομάδας III στο τρυβλίο στα αριστερά, στην Ομάδα I στο κεντρικό τρυβλίο και στην Ομάδα II στο τρυβλίο στα δεξιά.

Εικόνα αριστερά: ΠΟΙΚΙΛΙΕΣ ΑΝΤΙΒΙΟΤΙΚΩΝ δοκιμάζονται σε καλλιέργεια σταφυλόκοκκων που λαμβάνεται από έναν ασθενή. Οι καθαρές περιοχές γύρω από έναν δίσκο αντιβιοτικού δείχνουν ότι το αντιβιοτικό εμπόδισε την ανάπτυξη των βακτηρίων. Το πρώτο στέλεχος (πάνω) είναι ανθεκτικό στην πενικιλίνη, τις τετρακυκλίνες, τη χλωρομυκετίνη και την τεραμυκίνη, ενώ δεν είναι ευαίσθητο σε τέσσερα από τα νεότερα αντιβιοτικά. Το δεύτερο στέλεχος (κάτω) είναι ευαίσθητο και στα οκτώ αντιβιοτικά σε δύο συγκεντρώσεις. Οι εικόνες σε αυτές τις δύο σελίδες τραβήχτηκαν στο εργαστήριο του John E. Blair στο Νοσοκομείο Αρθρώσεων.

Είναι κάποια από αυτές τις διαδικασίες εφαρμόσιμη σε σταφυλοκοκκική λοίμωξη; Πρέπει να εμβολιάζουμε με νεκρούς σταφυλόκοκκους, σταφυλοκοκκική κάψουλα, κυτταρικά τοιχώματα ή τοξοειδές; Μπορούμε να βρούμε μεταξύ αυτών των εναλλακτικών λύσεων έναν αποτελεσματικό ανοσοποιητικό ή θεραπευτικό παράγοντα; Δεν γνωρίζουμε αρκετά για το πώς οι σταφυλόκοκκοι προκαλούν βλάβη ή πώς το σώμα αμύνεται εναντίον τους, ώστε να προχωρήσουμε άμεσα σε εμβολιασμό ή οροθεραπεία. Αυτοί οι οργανισμοί έχουν γίνει μια σοβαρή πρόκληση σε μια εποχή που οι μελέτες για τις ανοσολογικές σχέσεις των μολυσματικών βακτηρίων έχουν αφεθεί να εκλείψουν. Πρέπει να συνεχίσουμε να βασιζόμαστε, όπως συμβαίνει σήμερα, στα αντιβιοτικά, με όλες τις συναφείς δυσκολίες και ανεπάρκειες; Είναι αυτονόητο ότι καταβάλλονται σημαντικές προσπάθειες για την αντιμετώπιση της συνεχώς μεταβαλλόμενης ευαισθησίας και αντοχής των σταφυλόκοκκων στα αντιβιοτικά. Οι σταφυλόκοκκοι διαθέτουν ένα εξαιρετικό οπλοστάσιο επιθετικών παραγόντων. Τα στελέχη που προκαλούν ασθένειες επεξεργάζονται διάφορα είδη «αιμολυσινών», ουσιών ικανών να καταστρέψουν τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Παράγουν επίσης λευκοκιδίνη, η οποία βλάπτει τα λευκά αιμοσφαίρια, και υαλουρονιδάση, ένα ένζυμο που μπορεί να διαλύσει το μεσοκυττάριο τσιμέντο των ιστών για να βοηθήσει την εξάπλωση των εισβολέων. Και οι περισσότεροι από τους σταφυλόκοκκους που προκαλούν σήμερα λοιμώξεις παράγουν πενικιλλινάση, ένα ένζυμο που καταστρέφει την πενικιλίνη. Επιπλέον, τα στελέχη που είναι επιβλαβή για τον άνθρωπο σχεδόν όλα παράγουν ουσίες που ονομάζονται κοαγκουλάσες, οι οποίες αλληλεπιδρούν με τον μηχανισμό πήξης του αίματος για την πήξη του πλάσματος. Ένα από αυτά προφανώς δρα στην προθρομβίνη. Ένα άλλο, συνδεδεμένο στην επιφάνεια του σταφυλοκοκκικού κυττάρου, μπορεί να αντιδράσει με το ινωδογόνο για να παράγει ινώδες. Υπάρχουν ενδείξεις ότι η κατοχή κοαγκουλάσης καθιστά δυνατή την ανάπτυξη αυτών των στελεχών στον ανθρώπινο ορό και την επιβίωση μέσα σε λευκά αιμοσφαίρια κουνελιού μετά την κατάποση. Η παραγωγή κοαγκουλάσης παρέχει έτσι μια χρήσιμη μέθοδο για την αναγνώριση δυνητικά μολυσματικών στελεχών, αλλά δεν γνωρίζουμε ακόμη εάν η παρουσία κοαγκουλάσης είναι σημαντική στη μόλυνση ή απλώς τυχαία.

Σύμφωνα με αναφορές στη βιβλιογραφία, οι σταφυλόκοκκοι υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί να έχουν εξωκυτταρικές κάψουλες. Αξίζει να διερευνηθεί εάν αυτό το υλικό κάψας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανοσοποίηση.

Τι μπορεί να κάνει το έξυπνο κοινό για να βοηθήσει σε αυτή την κατάσταση; Τα νοσοκομεία πιέζονται σε πολλά μέτωπα. Η διάγνωση και η θεραπεία έχουν υποστεί μεγάλη και ταχεία επεξεργασία, με μεγάλη αύξηση του κόστους. Οι νοσηλευτές και, σε πολλά νοσοκομεία, οι ειδικευόμενοι και οι ειδικευόμενοι είναι σε έλλειψη. Συνεπεία όλων αυτών, τα περισσότερα νοσοκομεία λειτουργούν τώρα με κόκκινο. Η επιστροφή στην σχολαστική ασηψία και αντισηψία και οι πολλές προφυλάξεις που είναι απαραίτητες για την καλή καθαριότητα στα νοσοκομεία κοστίζουν πολύ χρόνο, προσπάθεια και χρήματα. Η πιο επαρκής οικονομική υποστήριξη από το κοινό για τα νοσοκομεία του θα μπορούσε να είναι πράγματι πολύ χρήσιμη.

Το Κογκρέσο έχει διαθέσει 1 εκατομμύριο δολάρια για σταφυλοκοκκική έρευνα μέσω ερευνητικών επιχορηγήσεων των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας και με πίστωση 325.000 δολαρίων για το τρέχον οικονομικό έτος, η Υπηρεσία Δημόσιας Υγείας επεκτείνει τις υπηρεσίες και τις έρευνές της σχετικά με τη σταφυλοκοκκική νόσο στο Κέντρο Μεταδοτικών Νοσημάτων στη Georgia. Η τωρινή μας άγνοια σε αυτόν τον σημαντικό τομέα της ιατρικής δεν μπορεί, ωστόσο, να διαλυθεί σε λίγα χρόνια από το έργο λίγων ερευνητών. Ούτε μπορούμε αυτή τη στιγμή να προβλέψουμε την έκβαση του ασυνήθιστου αγώνα για επιβίωση ενός ευέλικτου μικροοργανισμού ενάντια στις προσπάθειες ενός αφυπνισμένου ιατρικού επαγγέλματος. Αλλά η συνεχής προσπάθεια σε ένα ευρύ μέτωπο θα αποφέρει ανταμοιβές που μετρώνται με βάση την εμβάθυνση της επιστημονικής γνώσης και την αυξημένη ασφάλεια της υγείας για όλους.

Να αναφέρετε τα κύρια μορφολογικά χαρακτηριστικά των βακτηρίων. Εξηγήστε γιατί τα βακτήρια μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στο περιβάλλον τους τόσο γρήγορα.

Μεταξύ των κύριων χαρακτηριστικών των βακτηριακών κυττάρων είναι το σχήμα, η διάταξη και το μέγεθός τους. Αυτά τα χαρακτηριστικά αποτελούν τη μορφολογία του βακτηριακού κυττάρου.

Αν και υπάρχουν χιλιάδες διαφορετικά είδη βακτηρίων, τα κύτταρα των περισσότερων βακτηρίων έχουν ένα από τα τρία βασικά σχήματα: (1) σφαιρικό ή ελλειψοειδές, (2) κυλινδρικό ή ραβδοειδές και (3) σπειροειδές ή ελικοειδές.

Τα σφαιρικά βακτηριακά κύτταρα ονομάζονται κόκκοι (ενικός, κόκκος). Πολλά από αυτά τα βακτήρια σχηματίζουν μοτίβα διάταξης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ταυτοποίηση. Αυτά τα μοτίβα μπορούν να εξηγηθούν από τις ιδιαιτερότητες στις διαδικασίες πολλαπλασιασμού των διαφόρων βακτηρίων. Για παράδειγμα, τα διπλοκοκκικά κύτταρα διαιρούνται για να σχηματίσουν ζεύγη. Τα στρεπτοκοκκικά κύτταρα παραμένουν συνδεδεμένα μετά τη διαίρεση και σχηματίζουν αλυσίδες. Οι σταφυλόκοκκοι διαιρούνται τρισδιάστατα για να σχηματίσουν ακανόνιστες συστάδες κόκκων, που μοιάζουν με τσαμπιά σταφυλιών. Κάθε ένα από τα κύτταρα σε ένα διπλοκοκκικό, στρεπτοκοκκικό ή σταφυλοκοκκικό συσσωμάτωμα είναι ένας ανεξάρτητος οργανισμός

Τα κυλινδρικά ή ραβδόμορφα βακτηριακά κύτταρα ονομάζονται βάκιλοι (ενικός, bacillus). Δεν σχηματίζουν τόσο μεγάλη ποικιλία διατάξεων όσο οι κόκκοι, αλλά περιστασιακά βρίσκονται σε ζεύγη ή αλυσίδες. Αυτά τα μοτίβα δεν προκύπτουν από τη διαδικασία πολλαπλασιασμού, αλλά μόνο από το συγκεκριμένο στάδιο ανάπτυξης ή τις συνθήκες ανάπτυξης που υπάρχουν, και ως εκ τούτου οι βάκιλοι εμφανίζονται συνήθως ως μεμονωμένα, μη προσκολλημένα κύτταρα. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές στο πάχος και το μήκος αυτών των ραβδόμορφων βακτηρίων.

Τα σπειροειδή βακτηριακά κύτταρα ονομάζονται σπιρίλλια (ενικός, spirillum). Όπως και οι βάκιλοι, συνήθως εμφανίζονται ως μη προσκολλημένα, μεμονωμένα κύτταρα. Τα σπιρίλλια παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στο μήκος και στη συχνότητα και το πλάτος των σπειρών.

Το μέσο βακτηριακό κύτταρο έχει διαστάσεις περίπου 0,5 έως 1,0 μm επί 2,0 έως 5,0 μm. (Το μm είναι η συντομογραφία του micrometer, που είναι 1/1000 του χιλιοστού (1/1000 του mm) ή 10^-6 μέτρα.)

Μια σημαντική συνέπεια του πολύ μικρού μεγέθους ενός βακτηριακού κυττάρου είναι ότι η αναλογία επιφάνειας προς όγκο είναι εξαιρετικά υψηλή. Αυτή η αναλογία επιτρέπει σε ένα πολύ μεγάλο μέρος του βακτηριακού κυττάρου να έρχεται σε επαφή με το περιβάλλον του. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα βακτήρια είναι σε θέση να προσλαμβάνουν γρήγορα θρεπτικά συστατικά και αυξητικούς παράγοντες και να αποβάλλουν απόβλητα. Ο μεταβολικός τους ρυθμός είναι αντίστοιχα υψηλός. Αυτός ο υψηλός μεταβολικός ρυθμός επιτρέπει στα βακτήρια τόσο να προσαρμόζονται όσο και να εισάγουν αλλαγές στο περιβάλλον τους σε πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα. Αυτές οι αλλαγές μπορεί να είναι ευεργετικές για τα βακτήρια που τα παράγουν ή για άλλα είδη βακτηρίων. Για παράδειγμα, η απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα από ορισμένα βακτήρια αυξάνει την οξύτητα του μέσου ανάπτυξης και ευνοεί την ανάπτυξη βακτηρίων που απαιτούν περιβάλλον χαμηλού pH.

Ο πιο σημαντικός παράγοντας που εμπλέκεται στην ικανότητα των βακτηρίων να αλλάζουν το περιβάλλον τους είναι η ικανότητά τους να πολλαπλασιάζονται γρήγορα. Μέσα στα πλήθη των βακτηρίων που παράγονται από ένα νεοεισηγμένο βακτήριο, θα υπάρχει ένα ποσοστό μεταλλαγμένων. Η φυσική επιλογή μπορεί να επιτρέψει σε ένα από αυτά τα μεταλλαγμένα να είναι το πιο κατάλληλο για επιβίωση στο μεταβαλλόμενο περιβάλλον και πολυάριθμοι απόγονοι θα προκύψουν από αυτό.

Αυτός ο κύκλος μπορεί να επαναληφθεί, αποδεικνύοντας την ικανότητα του βακτηριακού είδους να επιβιώνει υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες.

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποκαλύπτει ότι αυτά τα μολυσματικά σωματίδια διαθέτουν τρεις κύριους τύπους συμμετρίας. Κάθε είδος ιού συγκροτείται- συναρμολογείται έξυπνα από λίγα μόνο είδη δομικών στοιχείων.

Όταν τα μικρότερα μέλη της οικογένειας των ιών μεγεθύνονται αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες φορές στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, διαπιστώνεται ότι διαθέτουν εξαιρετικά υψηλό βαθμό δομικής συμμετρίας. Σε αυτούς τους ιούς, οι υπομονάδες που είναι ορατές στις ηλεκτρονιομικρογραφίες, είναι μεμονωμένα πρωτεϊνικά μόρια, συχνά πανομοιότυπα σε είδος, συσκευασμένα μαζί για να σχηματίσουν μια απλή γεωμετρική δομή. Στους μεγαλύτερους ιούς η γεωμετρία είναι συνήθως πιο περίπλοκη και αρχίζει να εμφανίζεται ένας ορισμένος βαθμός δομικής ευελιξίας. Βλέποντας τις μικρογραφίες, έχει κανείς την εντύπωση ότι του δείχνουν πώς ο άψυχος κόσμος των ατόμων και των μορίων προβάλλει τη σκιά του ανεπαίσθητα στον κόσμο των μορφών που διαθέτουν ορισμένα από τα χαρακτηριστικά της ζωής.

Οι ιοί είναι οι μικρότερες βιολογικές δομές που ενσωματώνουν όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για την αναπαραγωγή τους. Ουσιαστικά αποτελούνται από ένα κέλυφος πρωτεΐνης που περικλείει έναν πυρήνα νουκλεϊκού οξέος – είτε ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) είτε δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA). Το κέλυφος χρησιμεύει ως προστατευτικό περίβλημα και σε ορισμένες περιπτώσεις ως μέσο για τη διάτρηση των τοιχωμάτων των ζωντανών κυττάρων στα οποία ο ιός είναι ικανός να επιτεθεί. Τo νουκλεϊκό οξύ του ιού εισέρχεται στο κύτταρο και ανακατευθύνει τον κυτταρικό μηχανισμό προς παραγωγή δεκάδων πλήρων σωματιδίων ιού. Όταν ολοκληρωθεί η εργασία, το κύτταρο διαρρηγνύεται και οι ιοί διαχέονται, έτοιμοι να μολύνουν κι’ άλλα κύτταρα.

Οι περισσότεροι ιοί εμπίπτουν σε ένα εύρος μεγέθους μεταξύ 10 και 200 ​​nm· Mε άλλα λόγια, μεταξύ του ενός τεσσαρακοστού του μήκους κύματος και του μισού μήκους κύματος του ιώδους φωτός. Δεδομένου ότι αντικείμενα μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός δεν μπορούν να παρατηρηθούν σε ένα συνηθισμένο μικροσκόπιο, οι ιοί μπορούν να παρατηρηθούν απευθείας μόνο με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Αυτά τα όργανα χρησιμοποιούν μια δέσμη ηλεκτρονίων των οποίων το μήκος κύματος είναι πολύ μικρότερο από τις διαστάσεις ενός ιού. Οι ιοί μπορούν επίσης να μελετηθούν έμμεσα τοποθετώντας κρυστάλλους ενός καθαρού παρασκευάσματος ιού σε μια δέσμη ακτίνων Χ και καταγράφοντας τα μοτίβα περίθλασης που παράγονται όταν οι ακτίνες Χ ανακλώνται από τα επίπεδα των ατόμων στον κρύσταλλο. Η ανάλυση τέτοιων μοτίβων εκλογής περίθλασης ακτίνων Χ υπέδειξε ότι οι πρωτεϊνικές υπομονάδες που σχηματίζουν το κέλυφος του ιού ήταν διατεταγμένες συμμετρικά. Ο ιός της μωσαϊκής του καπνού, για παράδειγμα, εμφανίστηκε στις πρώτες ηλεκτρονικές μικρογραφίες ως μια λεπτή ράβδος χωρίς ορατές υπομονάδες. Όταν ο ιός εξετάστηκε με περίθλαση ακτίνων Χ, ωστόσο, μπορούσε κανείς να δει μοτίβα που υποδηλώνουν ότι οι υπομονάδες ήταν διατεταγμένες σε έλικα. Από την άλλη πλευρά, οι περισσότεροι μικροί ιοί, που φαίνονταν σφαιρικοί στις ηλεκτρονικές μικρογραφίες, έδωσαν μοτίβα ακτίνων Χ που υποδεικνύουν ότι είχαν κυβική συμμετρία. Αυτό υποδηλώνει ότι ήταν κανονικά πολύεδρα και επίσης μέλη της ομάδας των πλατωνικών στερεών: στερεά με τέσσερα, έξι, οκτώ, 12 και 20 πλευρές. Υπό το φως των αποτελεσμάτων των ακτίνων Χ και υποστηρίζοντας από γενικές αρχές, οι F. H. C. Crick και James D. Watson πρότειναν το 1956 και το 1957 ότι η ποσότητα νουκλεϊκού οξέος που υπάρχει στους μικρούς ιούς ήταν περιορισμένη και ότι οι πληροφορίες που μετέφερε θα ήταν επαρκείς για να κωδικοποιήσουν μόνο μερικά είδη πρωτεϊνών. Υποστήριξαν, επομένως, ότι τα κελύφη των μικρών «σφαιρικών» ιών πιθανότατα κατασκευάστηκαν από έναν αριθμό πανομοιότυπων πρωτεϊνικών υπομονάδων, συμμετρικά συσκευασμένων. Ο πιο πιθανός τρόπος για να συσκευαστούν πανομοιότυπες μονάδες στην επιφάνεια μιας σφαίρας, επεσήμαναν οι Crick και Watson, θα ήταν σε κάποιο μοτίβο που έχει κυβική συμμετρία.

Ορισμένες από τις προβλέψεις των Crick και Con-Watson επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από την ηλεκτρονική μικρογραφία. Υπήρξε μια περίοδος, ωστόσο, κατά την οποία ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ξεπέρασε τις μεθόδους προετοιμασίας δειγμάτων ιών για παρατήρηση. Τα αφυδατωμένα σωματίδια ιού είναι ουσιαστικά διαφανή σε μια δέσμη ηλεκτρονίων. Χρειάστηκε να επινοηθούν διάφορες τεχνικές για να γίνουν ορατά τα σωματίδια. Μία από τις πρώτες και απλούστερες μεθόδους ήταν η δημιουργία «σκιών» επιτρέποντας σε ένα ρεύμα ατόμων βαρέων μετάλλων να πέσουν πάνω στα σωματίδια του ιού υπό γωνία. Αυτό γινόταν τοποθετώντας το δείγμα των σωματιδίων του ιού σε έναν θάλαμο κενού και εξατμίζοντας τα άτομα μετάλλου από μια πηγή προς την πλευρά του θαλάμου. Τα άτομα μετάλλου που συσσωρεύονταν στο ίδιο το σωματίδιο του ιού θα εμπόδιζαν τη διέλευση των ηλεκτρονίων, ενώ τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να περάσουν ελεύθερα μέσα από τις σκιές όπου δεν είχαν εναποτεθεί άτομα μετάλλου. Με αυτόν τον τρόπο, ήταν δυνατό να διακριθεί το συνολικό σχήμα του σωματιδίου του ιού, αλλά όχι όλες οι μικρές λεπτομέρειες της επιφανειακής του δομής

Στα επόμενα χρόνια, μια νέα και απλή μέθοδος «χρώσης» απομονωμένων σωματιδίων, όπως ιών και μεγάλων μορίων πρωτεΐνης, έχει αποδείχτηκε ακόμη πιο επιτυχημένη από τη σκίαση για την αποκάλυψη λεπτομερειών στις υψηλές μεγεθύνσεις που είναι πλέον διαθέσιμες στα ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Συνίσταται στην περικύκλωση των σωματιδίων που πρόκειται να εξεταστούν από ένα υλικό πυκνής ηλεκτρονιακής πυκνότητας: φωσφοροβολφραμικό κάλιο. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάμειξη του εναιωρήματος του ιού με ένα διάλυμα φωσφοροβολφραμικού και τον ψεκασμό του μείγματος ή την εναπόθεση σταγονιδίων στις βάσεις του δείγματος. Δεδομένου ότι η μέθοδος φωσφοροβολφραμικού παράγει εικόνες που είναι αντίστροφες σε σύγκριση με εκείνες που λαμβάνονται με τις συνήθεις διαδικασίες παρασκευής, ονομάζεται «αρνητική χρώση» ή «αρνητική αντίθεση». Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε μεγάλο αριθμό ιών έχει δείξει ότι εμπίπτουν σε τρεις κύριες ομάδες συμμετρίας: εκείνους με κυβική συμμετρία, εκείνους με ελικοειδή συμμετρία και εκείνους με σύνθετη συμμετρία ή συνδυασμένες συμμετρίες.

Η κατηγορία των πολυέδρων που έχουν κυβική συμμετρία περιλαμβάνει το κανονικό τετράεδρο (τέσσερις έδρες), το δωδεκάεδρο (12 έδρες) και το εικοσάεδρο (20 έδρες). Σκιασμένα παρασκευάσματα του ιριδίζοντος ιού της tipula, ο οποίος προκαλεί μια ασθένεια στις προνύμφες αρκετών εντόμων, έδειξαν ότι έχει το σχήμα ενός κανονικού εικοσάεδρου, και η συμμετρία ήταν αυταπόδεικτη [βλ. παρακάτω εικόνα].

Εικόνα: Ο ιός tipula iridescent, ένας ιός εντόμων, είναι τόσο μεγάλος που η γεωμετρικά κανονική δομή του φαίνεται καθαρά όταν τα δείγματα σκιάζονται με άτομα ενός βαρέος μετάλλου και μεγεθύνονται στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στη διπλά σκιασμένη μικρογραφία (αριστερά) τα σωματίδια του ιού είναι μεγεθυμένα κατά περίπου 58.000 διαμέτρους. Οι σκιές υποδεικνύουν ότι κάθε σωματίδιο είναι ένα κανονικό εικοσάεδρο.

Μικρότεροι ιοί, από την άλλη πλευρά, δεν εμφανίζουν συμμετρία εκτός εάν εξεταστούν σε πολύ μεγάλη μεγέθυνση, και αυτό απαιτεί τη χρήση αρνητικής χρώσης με φωσφοροβολφραμικό.

Εικόνα: Σχετικά μεγέθη ιών παρουσιάζονται σε αυτό το διάγραμμα. Ένα μικρόμετρο (1 μm), που χρησιμοποιείται ως μέτρο σύγκρισης, είναι ένα χιλιοστό του χιλιοστού (1/1000 του mm). Στην εικόνα μεγεθύνεται 175.000 φορές. Οι πέντε ιοί με πολυεδρικές δομές. έχουν κυβική συμμετρία. Ο ιός της μωσαϊκής του καπνού και τα εσωτερικά συστατικά του ιού της γρίπης και της παρωτίτιδας έχουν ελικοειδή συμμετρία. Οι υπόλοιποι ιοί εμφανίζουν σύνθετη συμμετρία.

Θεωρούμε τις ιδιότητες συμμετρίας ενός κανονικού εικοσάεδρου, στο οποίο κάθε έδρα είναι ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Εάν οι ακτίνες προβάλλονται από το κέντρο του εικοσάεδρου μέσω των γωνιών των τριγώνων, οι ακτίνες θα αντιπροσωπεύουν έναν άξονα περιστροφικής συμμετρίας. Οι ακτίνες που προβάλλονται από το κέντρο του στερεού μέσω του κέντρου κάθε όψης θα αντιπροσωπεύουν έναν δεύτερο άξονα Και οι ακτίνες που προεξέχουν από το κέντρο μέσω του μέσου κάθε ακμής θα αντιπροσωπεύουν έναν τρίτο άξονα. (Θα υπάρχουν 12 γωνιακές ακτίνες, 20 ακτίνες επιφάνειας και 30 ακτίνες ακμής.) Εάν το εικοσάεδρο παρατηρηθεί κατά μήκος της ακτίνας σε οποιαδήποτε γωνία, διαπιστώνεται ότι το σώμα μπορεί να περιστραφεί σε πέντε θέσεις χωρίς να αλλάξει την εμφάνισή του [βλ. επάνω εικόνα]. Εάν το εικοσάεδρο παρατηρηθεί κατά μήκος της ακτίνας σε οποιαδήποτε έδρα, το σώμα μπορεί να περιστραφεί σε τρεις θέσεις χωρίς να αλλάξει την εμφάνισή του. Και εάν το εικοσάεδρο παρατηρηθεί κατά μήκος μιας ακτίνας ακμής, μπορεί να περιστραφεί σε δύο θέσεις χωρίς αλλαγή στην εμφάνιση. Το κανονικό εικοσάεδρο λέγεται ότι έχει συμμετρία 5.3.2.

Σχήμα: ΑΞΟΝΕΣ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ εμφανίζονται για ένα κανονικό εικοσάεδρο, ένα σχήμα με 12 γωνίες, 20 έδρες και 30 ακμές. Βλέποντάς το κατά μήκος ενός άξονα σε οποιαδήποτε γωνία, το σχήμα μπορεί να περιστραφεί σε πέντε θέσεις χωρίς να αλλάξει την εμφάνισή του (αριστερά). Περιστρεφόμενο γύρω από οποιονδήποτε άξονα έδρας, ένα κανονικό εικοσάεδρο παρουσιάζει τριπλή συμμετρία (μέση). Περιστρεφόμενο γύρω από οποιονδήποτε άξονα ακμής, το σχήμα παρουσιάζει διπλή συμμετρία (δεξιά).

Ας δούμε τώρα τι επιπτώσεις έχει αυτό το μοτίβο συμμετρίας για ένα σωματίδιο αδενοϊού, το οποίο σχετίζεται με αναπνευστικές ασθένειες στον άνθρωπο. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο δείχνει ότι η επιφάνεια του σωματιδίου αποτελείται από κανονικά διατεταγμένες δομικές μονάδες που μοιάζουν με μικροσκοπικές μπάλες. Επιπλέον, αυτές οι σφαίρες φαίνονται στις κορυφές, τις έδρες και τις ακμές ενός εικοσάεδρου [δείτε την επάνω εικόνα σε αυτήν τη σελίδα]. Μπορεί κανείς να αναγνωρίσει ορισμένες σφαίρες που περιβάλλονται από πέντε γείτονες, γεγονός που υποδηλώνει ότι βρίσκονται σε κορυφές και επομένως σε άξονες πενταπλάσιας συμμετρίας. Οι σφαίρες που περιβάλλονται από έξι γείτονες πρέπει να βρίσκονται σε έδρες ή ακμές και επομένως πρέπει να καταλαμβάνουν άξονες τριπλάσιας ή διπλάσιας συμμετρίας. Κατά μήκος κάθε ακμής υπάρχουν έξι σφαίρες, συμπεριλαμβανομένων δύο σφαιρών που καταλαμβάνουν κορυφές. Για να υπολογίσουμε τον συνολικό αριθμό σφαιρών που καλύπτουν ολόκληρο το εικοσάεδρο, εφαρμόζουμε τον απλό τύπο 10(n-1)²+2, όπου n είναι ο αριθμός των σφαιρών κατά μήκος μιας ακμής. Αντικαθιστώντας με n = 6 προκύπτει 252 ως ο αριθμός των μορφολογικών μονάδων που αποτελούν το κέλυφος του σωματιδίου του αδενοϊού.

Για λόγους περιγραφής (και για να αποφύγουμε τον όρο «υπομονάδα», ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί σε μορφολογικά, δομικά ή χημικά χαρακτηριστικά), θα υιοθετηθεί η ορολογία που προτείνεται για τα διάφορα ιικά συστατικά [βλέπε παρακάτω εικόνα αριστερά στη σελίδα]. Οι μορφολογικές μονάδες που αποτελούν το κέλυφος έχουν ονομαστεί «καψομερή». Το ίδιο το κέλυφος είναι το «καψίδιο». Η περιοχή μέσα στο καψίδιο είναι ο «πυρήνας». Η εξωτερική μεμβράνη, που φαίνεται να περιβάλλει το καψίδιο ορισμένων ιών, είναι το «περίβλημα».

Ένα πλεονέκτημα της τεχνικής αρνητικής χρώσης είναι ότι το πυκνό σε ηλεκτρόνια υλικό είναι ικανό να διεισδύσει σε εξαιρετικά μικρές περιοχές μεταξύ, ακόμη και μέσα, των καψομερίων. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα τέτοιας διείσδυσης μπορεί να φανεί στην ηλεκτρονική μικρογραφία του ιού του έρπητα που φαίνεται στη μέση αριστερά στην προηγούμενη σελίδα (Στον άνθρωπο, ο ιός του έρπητα προκαλεί, μεταξύ άλλων, «έρπητα».) Ηλεκτρονικές μικρογραφίες του σκιασμένου σωματιδίου έδειξαν ότι είχε το ίδιο εξωτερικό σχήμα και συμμετρία με τον αδενοϊό. Ωστόσο, όταν οι δύο ιοί χρωματίστηκαν αρνητικά και μεγεθύνθηκαν ακόμη περισσότερο, μπορούσε να φανεί με προσεκτική εξέταση ότι τα καψομερή του ιού του έρπητα, σε αντίθεση με αυτά του αδενοϊού, ήταν επιμήκη κοίλα πρίσματα, μερικά εξαγωνικά σε διατομή και άλλα πενταγωνικά. Σε ορισμένα σωματίδια, το φωσφορικό βολφραμικό διείσδυσε στην κεντρική περιοχή ή πυρήνα, που κανονικά περιέχει το νουκλεϊκό οξύ. Σε αυτά τα «κενά» σωματίδια, τα επιμήκη καψομερή ξεχωρίζουν καθαρά σε προφίλ στην περιφέρεια του ιού και μπορεί κανείς να δει την κοίλη μορφή τους και την ακρίβεια της ακτινικής τους διάταξης.

Από τις μικρογραφίες, ο αριθμός των καψομερών που βρίσκονται σε κάθε άκρη υπολογίστηκε σε πέντε, δίνοντας συνολικά 162 καψομερίδια για τον ιό του έρπητα. Από τα 162 καψομερίδια, 12 είναι πενταγωνικά πρίσματα και 150 είναι εξαγωνικά πρίσματα. Για να ικανοποιηθεί η διάταξη συσκευασίας σύμφωνα με την εικοσαεδρική συμμετρία, τα 12 πενταγωνικά πρίσματα θα έπρεπε να τοποθετηθούν στις γωνίες και τα 150 εξαγωνικά πρίσματα να βρίσκονται στις άκρες ή τις επιφάνειες του σωματιδίου [βλ. σχέδιο στη μέση δεξιά στην προηγούμενη σελίδα].

Η ανάγκη για πενταγωνικές μονάδες είναι βαθύτερη από την απλή ανάγκη ικανοποίησης της εικοσαεδρικής συμμετρίας. Όπως παρατήρησαν οι πρώτοι γεωμέτρες, δεν υπάρχει τρόπος να διαταχθεί ένα σύστημα εξαγώνων έτσι ώστε να περικλείουν χώρο. Αλλά αν πενταγωνικές μονάδες συμπεριληφθούν στα εξάγωνα, είναι δυνατό να περικλειστεί ο χώρος σχεδόν ατελείωτη ποικιλία τρόπων, με μορφές τόσο κανονικές όσο και ακανόνιστες. Οι ακτινολάριοι, μια ομάδα θαλάσσιων πρωτόζωων, παρέχουν ένα συναρπαστικό παράδειγμα ποικίλων δομών που συναρμολογούνται από πενταγωνικές και εξαγωνικές μονάδες [βλέπε παρακάτω εικόνα αριστερά  στη σελίδα].

Οι ιοί που είναι μικρότεροι από τον ιό του έρπητα συνήθως έχουν λιγότερα καψομερή, αλλά η σχέση μεταξύ μεγέθους και αριθμού καψομερών είναι κάπως μεταβλητή. Ο ιός των πολυωμάτων, ο οποίος παράγει όγκους σε τρωκτικά και έχει προκαλέσει την αναζήτηση ιών στον ανθρώπινο καρκίνο, φαίνεται σχεδόν σφαιρικός όταν εξετάζεται με την τεχνική σκίασης. Παρ’ όλα αυτά, η αρνητική χρώση δείχνει ότι το εξωτερικό κέλυφος πιθανότατα αποτελείται από 42 επιμήκη γωνιακά καψομερή διατεταγμένα σε εικοσαεδρική συμμετρία [βλ. κάτω εικόνα στη σελίδα]. Ένα τέτοιο κέλυφος μπορεί να κατασκευαστεί τοποθετώντας 12 πενταγωνικά πρίσματα στις γωνίες ενός εικοσαέδρου και 30 εξαγωνικά πρίσματα στις 30 άκρες. Σε αυτήν την περίπτωση, οι 20 έδρες δεν έχουν δικά τους καψομερή, γεγονός που βοηθά στην εξήγηση της σχεδόν σφαιρικής εμφάνισης του ιού.

Στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, ο ιός του κίτρινου μωσαϊκού του γογγυλιού, ο οποίος προκαλεί μια ασθένεια των φύλλων στο γογγύλι και σε συγγενικά φυτά, φαίνεται να έχει 32 καψομερή διατεταγμένα σύμφωνα με την κυβική συμμετρία Κρύσταλλοι του ίδιου ιού που μελετήθηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ παρουσιάζουν επίσης κυβική συμμετρία, αλλά αυτή η μέθοδος υποδεικνύει ότι υπάρχουν 60 υπομονάδες αντί για 32. Αυστηρά μιλώντας, κανένας από τους δύο αριθμούς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός εικοσάεδρου. Αλλά και οι δύο αριθμοί υπομονάδων μπορούν να τοποθετηθούν συμμετρικά στην επιφάνεια ενός εικοσάεδρου. Ο μικρότερος αριθμός μπορεί να κατανεμηθεί τοποθετώντας 12 υπομονάδες στις γωνίες, 20 στις έδρες και καμία στις άκρες. (Τα 32 καψομερή θα μπορούσαν επίσης να τοποθετηθούν στις 32 κορυφές ενός δωδεκάεδρου πεντάκις ή ενός ρομβικού τριακόντα-δρόνου.) Ο μεγαλύτερος αριθμός μπορεί να κατανεμηθεί σύμφωνα με αυστηρή εικοσάεδρη συμμετρία τοποθετώντας δύο υπομονάδες σε κάθε μία από τις 30 άκρες και καμία σε γωνίες ή έδρες. Είναι προφανές ότι εάν τα δύο σχήματα ήταν διαφανή, το ένα θα μπορούσε να τοποθετηθεί πάνω από το άλλο και οι υπομονάδες του ενός θα έπεφταν ακριβώς ανάμεσα στις υπομονάδες του άλλου χωρίς επικάλυψη. Αυτό υποδηλώνει ότι οι 60 υπομονάδες που προκύπτουν από τα μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ μπορεί να συνδυάζονται με κάποιο τρόπο για να δώσουν την εμφάνιση 32 υπομονάδων όταν το σωματίδιο του ιού παρατηρείται στο ηλεκτρονικό

μικροσκόπιο. Έχει επομένως προταθεί ότι στους μικρούς σφαιρικούς ιούς τα μορφολογικά χαρακτηριστικά που διακρίνονται ως πεντάγωνα και εξάγωνα μπορεί στην πραγματικότητα να σχηματίζονται από μικρότερες δομικές υπομονάδες. Αυτές οι υπομονάδες μπορεί να μην είναι όλες πανομοιότυπες, αλλά μπορεί να αποτελούνται από δύο ή τρία διαφορετικά μοριακά είδη. Το διάγραμμα κάτω δεξιά στη σελίδα 50 δείχνει πώς τέτοιες υπομονάδες μπορούν να συναρμολογηθούν για να παράγουν πενταγωνικές και εξαγωνικές μονάδες, σε αυστηρή συμφωνία με την εικοσαεδρική συμμετρία. Η διάταξη που απεικονίζεται, ένας από τους διάφορους πιθανούς συνδυασμούς, προτάθηκε από τους A. Klug, D. L. D. Caspar και J. Finch του Πανεπιστημίου του Λονδίνου. Δείχνει πώς 42 καψομερή θα μπορούσαν να σχηματιστούν από 120 (ή 240) μικρότερες υπομονάδες. Πρόσφατα στοιχεία υποδηλώνουν ότι τα καψομερή σε ορισμένους από τους μεγαλύτερους ιούς συνδέονται μεταξύ τους με μικρές δομές που μπορεί κάλλιστα να αντιστοιχούν στις υπομονάδες.

Ηλεκτρονικές μικρογραφίες υψηλής ανάλυσης αποκάλυψαν ότι δομές που αρχικά αναγνωρίστηκαν ως καψομερή σε έναν πολύ μικρό ιό αποτελούνται πράγματι από ακόμη μικρότερες υπομονάδες. Ο ιός, γνωστός ως X174, έχει μελετηθεί εντατικά επειδή περιέχει μια ασυνήθιστη μονόκλωνη μορφή DNA [βλ. «Μονόκλωνο DNA», του Robert L. Sinsheimer· SCIENTIFIC AMERICAN, Ιούλιος 1962]. Όταν πρωτοεξετάστηκε στο ηλεκτρονικό μικροσσκόπιο, ο ιός φαινόταν να έχει ένα κέλυφος που αποτελείται από 12 σφαιρικά καψομερή, τον ελάχιστο αριθμό που απαιτείται για εικοσαεδρική συμμετρία. Πιο πρόσφατες ηλεκτρονικές μικρογραφίες δείχνουν ότι κάθε καψομερή σχηματίζεται από πέντε υπομονάδες, αλλά επειδή κάθε καψομερή μπορεί να είναι κοινά με κάποια γειτονικα, ο αριθμός των υπομονάδων είναι 30 [βλ. επάνω εικόνα στην απέναντι σελίδα]. Εάν δεν είναι κοινές και κάθε καψομερή αποτελείται από πέντε υπομονάδες, το σύνολο θα ήταν 60 και το σχήμα θα ήταν δωδεκαέδρου. Παρόμοιες υπομονάδες μικρότερες από τα καψομερή έχουν παρατηρηθεί σε ηλεκτρονικές μικρογραφίες του ιού της πολιομυελίτιδας, αλλά δεν έχει ακόμη καταστεί δυνατό να μετρηθούν με ακρίβεια [βλ. κάτω εικόνα στην απέναντι σελίδα]

Η δεύτερη ευρεία ομάδα ιών που θα συζητήσω είναι αυτοί που έχουν ελικοειδή συμμετρία. Ο πιο γνωστός από αυτήν την ομάδα είναι αναμφισβήτητα ο ιός που προκαλεί τη μωσαϊκή ασθένεια του καπνού. Η ελικοειδής δομή του αρχικά συνήχθη από δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ. Αυτά τα δεδομένα, σε συνδυασμό με στοιχεία από άλλες φυσικές και χημικές παρατηρήσεις, έχουν οδηγήσει σε μια λεπτομερή γνώση της αρχιτεκτονικής του μωσαϊκού του καπνού. Οι υπομονάδες φαίνεται να είναι επιμήκεις δομές έτσι διατεταγμένες ώστε περίπου 16 υπομονάδες να σχηματίζουν μια στροφή μιας έλικας. Οι υπομονάδες προεξέχουν από μια κεντρική αξονική οπή που διατρέχει όλο το μήκος του ιού. Το νουκλεϊκό οξύ του ιού δεν καταλαμβάνει την οπή, όπως θα περίμενε κανείς, αλλά είναι βαθιά ενσωματωμένο στις πρωτεϊνικές υπομονάδες και περιγράφει μια δική του έλικα. Ο ιός αποτελείται από 2.130 πανομοιότυπες πρωτεϊνικές υπομονάδες. Κάθε υπομονάδα είναι ένα μεγάλο μόριο που σχηματίζεται από τη σύνδεση 168 μορίων αμινοξέων. Το διάγραμμα της δομής του ιού, που φαινεται παρακάτω στη σελίδα, βασίζεται σε ένα μοντέλο των R. E. Franklin, Klug, Caspar και K. Holmes του Πανεπιστημίου του Λονδίνου.

Μέχρι πρόσφατα, η ελικοειδής συμμετρία παρατηρούνταν μόνο σε φυτικούς ιούς. Τώρα έχει βρεθεί και στους σύνθετους ζωικούς ιούς που ανήκουν στην ομάδα των μυξοϊών. Η ομάδα περιλαμβάνει τους ιούς της παρωτίτιδας, της νόσου του Newcastle (μια αναπνευστική ασθένεια των πτηνών), της πανώλης των πτηνών και της νόσου Sendai (μια μορφή γρίπης). Ηλεκτρονικές μικρογραφίες που δημιουργήθηκαν με την τεχνική σκίασης έδειξαν ότι αυτοί οι ιοί έχουν διάφορα σχήματα και μεγέθη. Μερικοί ήταν περίπου σφαιρικοί, άλλοι ήταν νημάτια και άλλοι ήταν πολύπλοκοι και ακανόνιστοι.

Λεπτές τομές καθαρισμένου ιού και σωματίδια που παρατηρήθηκαν στην επιφάνεια των μολυσμένων κυττάρων υποδηλώνουν την ύπαρξη ενός εσωτερικού συστατικού με τη μορφή δακτυλιοειδών δομών που περιβάλλονται από μια εξωτερική μεμβράνη. Πρόσφατες μελέτες που χρησιμοποίησαν το αρνητικό

Η μέθοδος χρώσης έδειξε ότι το εσωτερικό συστατικό, ή καψίδιο, έχει τις ίδιες διαστάσεις και εμφάνιση με τις ράβδους του ιού της μωσαϊκής του καπνού, αλλά είναι πιο εύκαμπτο. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές σε ηλεκτρονικές μικρογραφίες του ιού της παρωτίτιδας, οι οποίες δείχνουν ότι το ελικοειδές καψίδιο σχηματίζει σπείρες ή βρόχους μετά την απελευθέρωσή του. Τα σωματίδια της γρίπης και της πανώλης των πτηνών είναι πιο συμπαγή δομικά από τον ιό της παρωτίτιδας και, εκτός εάν υποβληθούν σε ειδική χημική επεξεργασία, σπάνια παρατηρούνται να απελευθερώνουν τα εσωτερικά τους συστατικά

Τα περιβλήματα του ιού της γρίπης και του ιού της πανώλης των πτηνών φέρουν επιφανειακές προεξοχές που προφανώς περιέχουν την πρωτεΐνη που είναι γνωστή ως αιμαγλουτινίνη, η οποία ονομάζεται έτσι επειδή προκαλεί τη συγκόλληση των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Εάν αυτοί οι δύο ιοί υποβληθούν σε επεξεργασία με αιθέρα, η εσωτερική έλικα απελευθερώνεται και μπορεί να διαχωριστεί από την αιμαγλουτινίνη σε φυγόκεντρο. Όταν αυτό το εσωτερικό συστατικό μελετηθεί με ηλεκτρονική μικροσκοπία, διαπιστώνεται ότι έχει μικρότερη διάμετρο από αυτή των ιών της παρωτίτιδας, του ιού της νόσου του Newcastle και του ιού της νόσου Sendai. Το ακριβές μήκος των ελικοειδών συστατικών στους διάφορους myxo-ιούς δεν ήταν ακόμη γνωστό, ούτε ο τρόπος με τον οποίο συσκευάζονται μέσα στους φακέλους τους. Μια πιθανή διάταξη για έναν τυπικό μυξοϊό φαίνεται στο διάγραμμα στην παρακάτω εικόνα.

Η τελευταία από τις τρεις ευρείες ομάδες ιών είναι αυτές των οποίων η συμμετρία είναι πολύπλοκη. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει τους μεγάλους βακτηριακούς ιούς, όπως τον ιό T2 που μολύνει το βακτήριο Escherichia coli, και τους ιούς της ευλογιάς. Ο ιός T2 και αρκετοί από τους συγγενείς του που ονομάζονται “T even” είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτοι επειδή περιέχουν κάποιο είδος συσταλτικού μηχανισμού, ένα χαρακτηριστικό που δεν έχει διακριθεί σε καμία άλλη οικογένεια ιών. Οι ηλεκτρονικές μικρογραφίες στο κάτω μέρος της σελίδας 54 δείχνουν ότι ο ιός T2 έχει κεφαλή σε σχήμα διπυραμιδικού εξαγωνικού πρίσματος. Στο ένα άκρο του πρίσματος προσαρτημένη είναι μια ουρά που αποτελείται από ένα ελικοειδές συσταλτικό περίβλημα που περιβάλλει έναν κεντρικό κοίλο πυρήνα. Στο άκρο του πυρήνα υπάρχει μια περίεργη εξαγωνική πλάκα που φέρει έξι λεπτές ίνες ουράς. Η δομή της πλάκας και οι ίνες ουράς πιθανώς έρχονται σε αρχική επαφή με το τοίχωμα του βακτηρίου που δέχεται επίθεση. Μετά την επαφή, το ελικοειδές περίβλημα συστέλλεται, επιτρέποντας στο νουκλεϊκό οξύ του ιού να εισέλθει στο βακτήριο. Η συστολή του περιβλήματος του T2 εγείρει πολλά συναρπαστικά ερωτήματα. Ολόκληρος ο ιός T2 φαίνεται να περιέχει μόνο μερικά διαφορετικά είδη πρωτεϊνικών μορίων. Αν αυτά κατανεμηθούν στην κατασκευή των διαφορετικών δομών – κεφαλή, θήκη, ουρά και ίνες ουράς – πρέπει κανείς να συμπεράνει ότι η συσταλτική θήκη αποτελείται μόνο από δύο ή το πολύ τρία διαφορετικά είδη πρωτεΐνης. Πώς μπορούν τόσο λίγα είδη δομικών στοιχείων να παράγουν μια θήκη με συσταλτική ικανότητα; Ποιες ουσίες πυροδοτούν τη συστολή; Και πώς σχετίζεται η συστολή με την εκτίναξη του μακρού μορίου DNA που είναι σφιχτά συσκευασμένο στον πυρήνα T2;

Ακόμα μεγαλύτεροι ιοί με πολύπλοκη συμμετρία είναι αρκετά σημαντικά μέλη της οικογένειας των ιών της ευλογιάς: οι ιοί της ευλογιάς, της δαμαλίτιδας, της αγελάδας και της εκτρομέλιας. Είναι από τους λίγους ιούς αρκετά μεγάλους ώστε να φαίνονται στο οπτικό μικροσκόπιο. Σε πρώιμες σκιασμένες ηλεκτρονικές μικρογραφίες, ο ιός της δαμαλίτιδας φαινόταν να έχει τρισδιάστατο σχήμα σαν τούβλο με μια σφαιρική πυκνή κεντρική περιοχή. Πιο λεπτομερείς μελέτες του ιού που παρατηρήθηκαν σε μολυσμένα κύτταρα μετά από χρώση και λεπτή τομή αποκάλυψαν μορφολογικά χαρακτηριστικά που δεν παρατηρήθηκαν σε άλλους ιούς.

Εικόνα: Ο ιός της δαμαλίτιδας, ένας από τους γιγάντιους ιούς της ευλογιάς, έχει περίπου διπλάσια διάμετρο από τα μικρότερα ζωντανά κύτταρα, τα οποία είναι γνωστά ως οργανισμοί που μοιάζουν με πλευροπνευμονία. Η μεγέθυνση είναι 400.000 διάμετροι. Ο ιός ORF, ένας άλλος ιός της ευλογιάς, έχει συστατικά τυλιγμένα σε διασταυρούμενο μοτίβο. Η μεγέθυνση είναι 450.000 φορές.

Η κεντρική πυκνή περιοχή φαινόταν να περιβάλλεται από έναν αριθμό στρωμάτων ή μεμβρανών ποικίλης αδιαφάνειας στη δέσμη ηλεκτρονίων. Σε ορισμένες μικρογραφίες, σωληνοειδείς δομές μπορούσαν να παρατηρηθούν μεταξύ των εξωτερικών μεμβρανών και της κεντρικής περιοχής. Οι ηλεκτρονικές μικρογραφίες παρακάτω απεικονίζουν τις δομικές παραλλαγές που υπάρχουν μεταξύ δύο μελών της ομάδας της ευλογιάς. Στα σωματίδια του ιού που προκαλεί λοιμώδη φλυκταινώδη δερματίτιδα, τα σωληνοειδή συστατικά σχηματίζουν ένα σαφές διασταυρούμενο μοτίβο. Είναι δύσκολο να πούμε αν οι σωληνοειδείς δομές πρέπει να περιγραφούν ως καψίδια ή ως καψομερή, ούτε μπορεί κανείς να πει ακριβώς πού βρίσκεται το νουκλεϊκό οξύ σε σχέση με αυτά

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μαζί με άλλες μεθόδους, έχει συμβάλει σημαντικά στη μελέτη των ιών και έχει δείξει ότι ανήκουν σε μια εκπληκτική ποικιλία μαθηματικά ταξινομημένων οικογενειών. Εδώ και πολλά χρόνια, φυσικά, είναι κατανοητό ότι οι πρωτεΐνες είναι ευέλικτα δομικά στοιχεία και ότι ευθύνονται για την τεράστια ποικιλομορφία των ζωντανών μορφών. Αλλά χρειάστηκε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να αποκαλύψει άμεσα ποιες περίπλοκες και εξαιρετικές δομές μπορούν να δημιουργηθούν συνδυάζοντας μόνο λίγα είδη πρωτεϊνικών μορίων.

Γεμίζουμε ένα ποτήρι κρασιού με νερό μέχρι το χείλος. Παίρνουμε μερικές καρφίτσες. Θα μπορούσε να βρεθεί χώρος μέσα στο ποτήρι για μερικές απ’ αυτές; Ας δοκιμάσουμε δια να το διαπιστώσουμε! Δείτε!

Ρίξτε τις καρφίτσες μέσα και μετρήστε τες καθώς τις ρίχνετε. Αλλά να είστε προσεκτικοί. Πιάστε την καρφίτσα από την κεφαλή της και βυθίστε την άκρη της στο νερό. Στη συνέχεια, αφήστε την προσεκτικά, χωρίς να την πιέσετε ή να ασκήσετε πίεση, ώστε να μην χυθεί νερό. Καθώς ρίχνετε τις καρφίτσες μέσα, πέφτουν στον πάτο, αλλά η στάθμη του νερού είναι η ίδια. Ρίχνετε δέκα, μετά άλλες δέκα, και μετά άλλες δέκα. Το νερό δεν χύνεται. Μπορείτε να συνεχίσετε μέχρι να υπάρχουν εκατό στον πάτο του ποτηριού. Αλλά ακόμα δεν έχει χυθεί νερό (Εικόνα). Ούτε, μάλιστα, έχει ανέβει σε κάποιο αισθητό βαθμό πάνω από το χείλος.
Προσθέστε μερικές ακόμη καρφίτσες. Τώρα μπορείτε να τις μετρήσετε ακόμη και σε εκατοντάδες. Μπορεί να έχετε έως και 400 καρφίτσες στο ποτήρι, αλλά και πάλι δεν χύνεται νερό. Ωστόσο, τώρα βλέπετε ότι η επιφάνεια διογκώνεται πάνω από το χείλος. Εκεί βρίσκεται η απάντηση σε αυτό το μέχρι στιγμής ακατανόητο φαινόμενο.

Η έλξη μεταξύ των μορίων του νερού ονομάζεται συνοχή. Η δύναμη συνοχής που εμφανίζεται μεταξύ των μορίων του νερού είναι τόσο ισχυρή που, στην επιφάνεια του νερού, δημιουργεί ένα “δέρμα”, γνωστό ως επιφανειακή τάση. Η επιφανειακή τάση είναι αρκετά ισχυρή ώστε να στηρίζει έντομα που σέρνονται στην επιφάνεια του νερού, όπως τα νεροβαγόνια (Gerridae).

Η έλξη των μορίων του νερού σε άλλες ουσίες, όπως το χώμα ή το γυαλί, ονομάζεται πρόσφυση (adhesion). Καθώς σταγόνες νερού προστίθενται πάνω σε ένα νόμισμα, η δύναμη συγκόλλησης μεταξύ του νερού και του νομίσματος εμποδίζει το νερό να πέσει.
Οι δυνάμεις συνοχής είναι ισχυρές, αλλά όχι άθραυστες. Καθώς μια σταγόνα νερού συσσωρεύεται και εξέχει, συνήθως διογκώνοντας πάνω από τις πλευρές του νομίσματος, οι δυνάμεις συνοχής τελικά θα ξεπεραστούν από τη δύναμη της βαρύτητας στα μόρια του νερού. Το “δέρμα” θα σκάσει και όλο το νερό θα χυθεί.
Οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ πολικών μορίων είναι ισχυρότερες από εκείνες μεταξύ μη πολικών μορίων, όπως αυτά στο λάδι ή το σιρόπι. Γι’ αυτό μπορείτε να δημιουργήσετε ένα μεγαλύτερο “σωρό” νερού από ό,τι από λάδι ή σιρόπι.

Το νερό προσφύεται στο γυαλί με αποτέλεσμα το νερό που εκτοπίζεται από τις καρφίτσες διογκώνεται. Δεν μπορείτε να το δείτε, αλλά αν μπείτε στον κόπο να υπολογίσετε τον όγκο μιας καρφίτσας και να τον συγκρίνετε με τον όγκο της διόγκωσης πάνω από το χείλος του ποτηριού κρασιού, θα συνειδητοποιήσετε ότι ο πρώτος όγκος είναι εκατοντάδες φορές μικρότερος από τον δεύτερο, γεγονός που εξηγεί γιατί ένα “γεμάτο” ποτήρι κρασιού θα έχει ακόμα αρκετό χώρο για μερικές εκατοντάδες άλλες καρφίτσες.

Όσο πιο πλατύ είναι το στόμιο του ποτηριού κρασιού, τόσο περισσότερες καρφίτσες μπορεί να χωρέσει, επειδή υπάρχει ένα μεγαλύτερο εξόγκωμα. Ένας πρόχειρος υπολογισμός θα δικαιολογήσει τους μέχρι τώρα ισχυρισμούς. Μια καρφίτσα έχει μήκος περίπου h = 25 χιλιοστά (mm) και πάχος μισό χιλιοστό (d=0,5 mm). Μπορείτε εύκολα να υπολογίστε τον όγκο αυτού του κυλίνδρου επικαλούμενοι τον γνωστό γεωμετρικό τύπο V = (πd2/4 )h . Ο υπολογισμός δείχνει ότι θα είναι ίσος με 5 mm³περίπου. Μαζί με το κεφάλι της καρφίτσας θα έχει ένα συνολικό όγκο που δεν θα υπερβαίνει τα 5,5 mm³. Ας υπολογίσουμε τώρα τον όγκο του νερού στην προεξοχή. Η διάμετρος του στομίου του ποτηριού κρασιού είναι 9 cm, ή 90 mm. Το εμβαδόν ενός τέτοιου κύκλου είναι περίπου 6.400 mm². Υποθέτοντας ότι το εξόγκωμα δεν έχει ύψος μεγαλύτερο από 1 mm, λαμβάνουμε έτσι όγκο 6.400 mm³, που είναι 1.200 φορές μεγαλύτερος από τον όγκο της καρφίτσας. Με άλλα λόγια, ένα “γεμάτο” ποτήρι κρασιού με νερό μπορεί να χωρέσει περισσότερες από χίλιες προεξοχές. Και πράγματι, μπορούμε να κάνουμε το ποτήρι κρασιού να χωρέσει χίλιες προεξοχές αν είμαστε αρκετά προσεκτικοί. Στο μάτι φαίνεται ότι καταλαμβάνουν ολόκληρο το ποτήρι κρασιού και μάλιστα προεξέχουν από αυτό. Αλλά και πάλι δεν χύνεται νερό.