Существование вирусов было впервые установлено при изучении мозаичной болезни табака. Оказалось, что возбудитель этой болезни может проходить через фарфоровый фильтр, обычно используемый для улавливания бактерий. Размер вирусов колеблется от 17 до 300 нм в диаметре. Таким образом, по величине они сравнимы с молекулами, например атом водорода имеет диаметр около 0,1 нм, а размер молекулы белка в среднем равен десяткам нанометрам.

Вирусы размножаются только в живых клетках. Многие из них высокоспецифичны по отношению к типу инфицируемых клеток. Они радикально изменяют биосинтетические процессы клетки-хозяина. При этом нуклеиновая кислота вируса переключает клетку на синтез вирусспецифических структур, конкурируя, таким образом, с ее генетическим аппаратом. Например, респираторные вирусы размножаются в клетках слизистой оболочки дыхательных путей, вызывая характерные симптомы простуды. Чаще всего вирусы имеют узкий круг хозяев. Одним из быстрых методов идентификации неизвестных бактерий может служить использование специфических бактериофагов, разрушающих определенные бактериальные клетки. И наоборот, реакция некоторых видов растений на неизвестный вирус может быть использована (в совокупности с другими методами) для идентификации данного вируса.

До 1930-х гг. вирусы рассматривались как мельчайшие бактерии. В 1933 г. эта точка зрения была опровергнута. Уэнделл Стэнли, работавший в Рокфеллеровском институте, получил экстракт вируса табачной мозаики из инфицированных растений и очистил его. Очищенный вирус осаждался в виде кристаллов. Кристаллизация — это один из главных тестов на присутствие химически чистого соединения, не содержащего примеси. Таким образом, стало ясно, что с химической точки зрения вирус намного проще живого организма. Когда Стэнли растворил игловидные кристаллы и нанес на лист табака, то характерные симптомы мозаичной болезни появились вновь. Тем самым было показано, что вирус сохраняет инфекционность после кристаллизации и ресуспендирования.

Большинство вирусов растений, подобно вирусу табачной мозаики, содержат только РНК, в то время как другие вирусы — только ДНК. В отличие от вирусов все клеточные организмы содержат оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы лишены рибосом, а также ферментов, необходимых для синтеза белка и генерирования энергии. В этом отношении вирусы принципиально отличаются от организмов, имеющих клеточную организацию.

Вироиды и другие инфекционные частицы

Известно несколько молекулярных патогенов, подобных вирусам и. по-видимому произошедших из генома бактерий и эукариот. Особое значение среди них имеют вироиды, которые, несмотря на свое название, резко отличаются от вирусов.

Вироиды — это мельчайшие из известных возбудителей болезней. Они намного меньше самых малых вирусных геномов и лишены белковой оболочки. Известны только вироиды растений. Они состоят из однонитевой молекулы РНК, которая автономно реплицируется в зараженных клетках. Вироиды были идентифицированы как возбудители опасных болезней. Один из них стал причиной гибели миллионов кокосовых пальм на Филиппинах за последние пятьдесят лет, другой нанес урон промышленному разведению хризантем в США в начале 1950-х гг.

Первый вироид — веретеновидности клубней картофеля, или PSTV – был идентифицирован Теодором Дайнером из Сельскохозяйственного департамента США в 1971 г. Клубни картофеля, зараженные PSTV, имеют удлиненную и искривленную форму. Иногда на них появляются глубокие трещины. PSTV — это самый крупный вирион из выше известных. Его РНК состоит из 359 оснований и имеет либо форму замкнутого кольца, либо структуру типа шпильки. В обоих случаях комплементарные пары оснований соединены водородными связями, образуя двунитевую РНК, подобную ДНК. Под электронным микроскопом обе формы PSTV выглядят палочковидными; длина их – 50 нм. Хотя это самый крупный вирион, размер его составляет всего одну десятую часть генома мельчайшего вируса. Вироиды обнаружены только в ядрах инфицированных клеток. Они реплицируются подобно вирусам, т. е. синтезируя комплементарную цепь, которая функционирует как матрица. При этом вироиды используют ферментные системы клетки-хозяина.

Поскольку вироиды локализованы в ядре и, вероятно, не могут работать как мРНК, предполагают, что они вызывают заболевания, вмешиваясь в процессы регуляции работы генов клетки-хозяина. Некоторые белки в инфицированных клетках растений присутствуют в больших количествах, чем в здоровых. Хотя нуклеотидные последовательности, комплементарные PSTV, не обнаружены в здоровых растениях, предполагают, что PSTV мог произойти в результате изменения генома некоторых видов картофеля — его основного хозяина.

В живых организмах встречаются молекулярные патогенны, не относящиеся к вироидам. Существование структур, подобных вироидам, но поостренных из ДНК, предполагается и у животных. Они называются "субвирусными частицами". Удивительно, что некоторые фрагменты белков способны контролировать свое воспроизведение в клетках животных без участия нуклеиновых кислот, такие частицы называют "прионами".