Wirusy, układ odpornościowy oraz systemy komputeroweCzas czytania: 6 min

Przed pandemią COVID-19 wirusy nie były przedmiotem codziennych dyskusji, nie licząc ekspertów od chorób zakaźnych i wirusologów, teraz jednak są one tematem numer jeden na całym świecie. Prócz wirusów atakujących ludzki organizm występują także innego rodzaju wirusy, które wraz ze szkodliwym oprogramowaniem stanowią zagrożenie dla komputerów. Zarówno branża inżynierii medycznej, jak i inżynierii oprogramowania wydają horrendalne kwoty na walkę z poszczególnymi zagrożeniami – może być więc zaskakujące, że głębokie podobieństwa między oboma zagrożeniami często były niezauważalne.

Dzisiejsze systemy komputerowe są stale monitorowane. Każdy program dostarcza odpowiednich danych telemetrycznych wykorzystywanych przez oprogramowanie monitorujące, by dokładnie określić sprawność i wydajność uruchomionych programów¹. Za pomocą takich informacji zautomatyzowany system może powiadomić o problemach w wydajności, które wymagają od programistów wykonania niezbędnych zmian w oprogramowaniu. Działania takie obejmują także proces skanowania w poszukiwaniu nadużyć dokonywanych przez hakerów, którzy mogą instalować szkodliwe wirusy wymagające wykrycia i zneutralizowania.

Proces wykrywania wirusów w programach komputerowych prowadzony jest głównie przy użyciu techniki opartej na sygnaturach. Polega ona na poszukiwaniu w bazie danych znanych „sygnatur” wirusów, ponieważ praktycznie wszystkie wirusy mają swoje unikalne markery cyfrowe, które można wykryć w uruchomionym programie. Programy antywirusowe skanują bajty kodu w każdym programie, szukając sygnatury i jeżeli takową wykryją, to albo zainfekowany program zostanie w całości usunięty, albo poddany kwarantannie bądź – jeżeli to możliwe – przywrócony do stanu poprzedniego. W odniesieniu do przyrody ożywionej koncepcje monitorowania i telemetrii bardzo przypominają ataki egzogennych, mikroskopijnych drapieżników na organizmy biologiczne, które wykorzystują bardzo złożony system obronny, znacznie bardziej złożony niż systemy komputerowe zbudowane przez człowieka. Tutaj skupię się na konkretnych podobieństwach pomiędzy układami odpornościowymi kręgowców a mechanizmami używanymi przez programistów w celu ochrony systemów komputerowych.

Genialny mechanizm

Pojedyncze komórki kręgowców zabezpieczają się przed atakiem rozmaitych mikroskopijnych wrogów za pomocą genialnego mechanizmu. Na powierzchni komórek znajdują się bowiem swego rodzaju molekularne „anteny”, które stale prezentują poziom ekspresji genów do około dziesięciu tysięcy białek². Te cząsteczki nazywane są cząsteczkami głównego kompleksu zgodności tkankowej (MHC) klasy I lub w skrócie MHC klasy I. Cząsteczki MHC wyświetlają „sygnatury” peptydów małych fragmentów białka (zazwyczaj 8–11 aminokwasów) z wnętrza komórki³. Każda tego rodzaju sygnatura jest rodzajem antygenu i może ona być antygenem „własnym” (dobrym) komórki gospodarza lub obcym (złym)⁴. Proces prezentowania tych antygenów, dobrych lub złych, na powierzchni komórki jest nazywany prezentacją antygenu. Obce antygeny, które pojawiłyby się wskutek zaatakowania komórki przez wirusy bądź bakterie, sygnalizują zewnętrznie, że komórka została zainfekowana. Prezentowane są także antygeny nowotworowe, odzwierciedlające wcześniejsze „dobre” białka, które stały się „złe” w wyniku mutacji (tj. potencjalnie rakowe komórki)⁵.

Antygeny prezentowane przez cząsteczki MHC na powierzchni zainfekowanych komórek można zauważyć poprzez krążące cytotoksyczne („cyto” jak w komórce i „toksyczne” jak w truciźnie) komórki T CD8 +⁶. Komórki te znajdują się w płynie zewnątrzkomórkowym i rutynowo patrolują ciało kręgowca, monitorując określone antygeny w poszukiwaniu sygnatur w szeregu peptydów, które normalnie nie są wytwarzane przez komórkę⁷. Kiedy antygeny wirusa lub bakterii zostaną znalezione, limfocyty T „wiedzą”, że komórka jest zarażona obcym bądź zmutowanym białkiem, i rozpoczynają proces zaprogramowanej śmierci komórek, które w danej chwili zostają uznane za potencjalnie szkodliwe. W idealnym przypadku, gdy układ odpornościowy wyeliminuje wystarczająco dużo zainfekowanych komórek na wczesnym etapie, może to zapobiec zakażeniu otaczających komórek.

Podobny proces zachodzi w przypadku wirusów systemów komputerowych. Kiedy wirus zostaje wykryty, zainfekowany program może zostać albo poddany kwarantannie i naprawie, aby wirus nie rozprzestrzenił się na inne programy czy komputery, albo całkowicie usunięty, jeśli próba naprawy okaże się nieskuteczna.

Komputery i organizmy

To, co różni działania podejmowane przez systemy komputerowe w przypadku wykrycia wirusa od procesów zachodzących w organizmach biologicznych z antygenem endogennym (tj. generowanym z wnętrza komórki), polega na tym, że w przypadku zainfekowanego programu komputerowego cały program jest skanowany liniowo w poszukiwaniu sygnatury wirusa, podczas gdy w przypadku biologicznym komórka skutecznie filtruje wstępnie dane telemetryczne przed dostarczeniem ich do komórek T. W przypadku pojawienia się wirusa lub bakterii niosących śmiertelne niebezpieczeństwo dla danej komórki i komórek znajdujących się w otoczeniu, owe zagrożone jednostki sygnalizują nadchodzące zagrożenie, co w konsekwencji prowadzi do uruchomienia procesu apoptozy przez limfocyty T (tj. zaprogramowanej śmierci komórki). W ten sposób poświęca się pojedynczą strukturę budulcową dla dobra całego organizmu⁸.

Kolejnym podobieństwem między programami antywirusowymi i reakcjami immunologicznymi organizmu biologicznego jest konieczność stałej aktualizacji sygnatur wirusów poprzez sprawdzanie bazy danych (co można zauważyć raz na kilka dni, kiedy system Windows aktualizuje program ochrony przed wirusami), podczas gdy organizmy biologiczne są aktualizowane po spotkaniu z patogenem takim jak wirus. Po pierwszym spotkaniu komórki T z nowym antygenem zaczyna się ona replikować do dwóch typów komórek: komórek pamięci i komórek efektorowych T. Komórki pamięci są długowieczne i stają się członkami efektywnej bazy limfocytów T, z których każda „pamięta” określony antygen i za każdym razem, kiedy się on pojawia, komórki pamięci mogą aktywować efektorowe komórki T, których zadaniem będzie uśmiercenie zainfekowanych komórek⁹.

Jak wcześniej wspomniałem, odpowiedź immunologiczna na antygeny endogenne to tylko jedna z wielu linii obrony w organizmach biologicznych i jest ona znakomitym mechanizmem ukazującym znamiona projektu. Mam nadzieję, że w przyszłości zdołam zbadać inne aspekty układu odpornościowego kręgowców, który wciąż jest obszarem ekscytujących odkryć naukowych, ponieważ ciągle możemy się wiele nauczyć, badając jego zdumiewającą złożoność.

Walter Myers III

Literatura: