Los virus, nanomáquinas que evolucionan

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Las células son las unidades estructurales y funcionales de la vida, tanto en los microorganismos como en los seres pluricelulares. Sin embargo, en la naturaleza existen otras entidades subcelulares que contribuyen activamente a la dinámica y evolución de los ecosistemas: los viroides y los virus. En ambos casos existe una interesante controversia científica acerca de si deben ser considerados o no como seres vivos, dado que ambos son capaces de replicarse y evolucionar (dos características fundamentales de la vida). Pero siempre a expensas de la maquinaria metabólica que proporciona la célula a la que parasitan: por tanto no son autónomos y, de hecho, cuando están fuera de su célula hospedadora se degradan rápidamente si no infectan una nueva diana.

Sin entrar en detalles, podemos decir que los viroides son moléculas de ácido ribonucleico (ARN) que poseen entre 250 y 400 nucleótidos (nt) de longitud, y que a pesar de no codificar ninguna proteína ni estar recubiertas por una envoltura proteica son capaces de infectar numerosas especies de plantas y producir enfermedades en ellas.

Por su parte, los virus son entidades replicativas compuestas por un genoma (de ARN o de ADN) protegido por una cobertura proteica denominada “cápsida”, y en algunas familias virales por una membrana lipídica exterior. La siguiente imagen muestra un ejemplo del genoma completo de un virus, visualizado por AFM. Se trata de una molécula de RNA de doble cadena y unos 4.600 nt, que constituye el genoma del virus denominado “L-A”, que infecta a la levadura Saccharomyces cerevisiae (muestra obtenida en el Instituto de Microbiología Bioquímica, CSIC-U. de Salamanca, e imagen tomada sobre una superficie de mica en el Centro de Astrobiología, CSIC-INTA).

Un ejemplo del genoma completo de un virus CSIS-INTA

Un ejemplo del genoma completo de un virus CSIS-INTA

Los virus son parásitos capaces de infectar a cualquiera de las especies celulares conocidas (de animales, plantas, hongos o microorganismos unicelulares) y se han encontrado en todos los entornos en los que se han buscado, incluyendo los más extremos de nuestro planeta. Su existencia ya fue sugerida a mediados del siglo XIX cuando uno de los padres de la microbiología, Louis Pasteur, fue incapaz de encontrar el microorganismo causante de una enfermedad entonces mortal: la rabia.

Dado que ese patógeno atravesaba los filtros con menor tamaño de poro que entonces se podían construir (escapando por tanto a los sistemas de esterilización por filtración), y que no se detectaba a través del microscopio óptico, concluyó que la rabia era causada por algo muy diferente a los “microbios” o “toxinas” entonces conocidos: bacterias, hongos y protozoos. En efecto, hoy sabemos que Pasteur estaba luchando contra un enemigo que en aquella época era invisible, porque sus dimensiones se encuentran en el rango de los nanómetros.

Primeros virus descubiertos en el siglo XIX

Los primeros virus fueron descubiertos a finales del siglo XIX, aunque no pudieron ser observados directamente hasta la década de 1930, gracias a un avance tecnológico trascendental: la microscopía electrónica. El tamaño de cada partícula viral o “virión” depende de la familia a la que pertenece, pero por lo general se sitúa entre los 20 y los 400 nanómetros de diámetro: los más grandes tienen casi la mitad del tamaño de una bacteria típica como E. coli, mientras que los más pequeños son unas 50 veces menores que ella.

La investigación por microscopía electrónica y difracción de rayos X ha mostrado que las cápsidas de los virus poseen una muy elevada simetría, lo que les permite construirla empleando una sola proteína o un número muy reducido de ellas, en el número de copias necesario para que se produzca el autoensamblaje molecular.

Los virus con simetría isométrica tienen forma de icosaedro o esfera, mientras que los de simetría helicoidal originan morfologías filamentosas o de bastón. Los mecanismos que emplean los virus para hacer copias de sí mismos son muy variados, pero en todos los casos se basan en que infectan un tipo celular concreto, se replican en su interior (produciendo mutaciones, más numerosas en el caso de los virus con genoma de RNA), y salen (unas veces rompiendo la célula infectada y otras no) para infectar otras células y continuar la infección. Los virus son, por tanto, nanomáquinas replicativas que han ido apareciendo en la naturaleza y evolucionando en paralelo a las células desde el origen de la vida.

Debido a sus dimensiones, durante los últimos años la investigación en virología se ha beneficiado de muchos de los avances en nanotecnología. Así, por ejemplo, gracias a técnicas como las pinzas ópticas se ha podido estudiar las características del nanomotor molecular con el que el virus bacteriófago denominado Phi29 empaqueta su genoma de ADN una vez que ha concluido su ciclo infectivo en la bacteria Bacillus subtilis, como describimos en un artículo anterior. Por otra parte, mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) se está profundizando en la caracterización estructural de algunos virus completos y sus componentes moleculares en condiciones nativas. En paralelo, la variante de la técnica de AFM conocida como “espectroscopía de fuerzas” permite estudiar características físicas de partículas virales individuales como es su resistencia mecánica a la compresión por la micropalanca. Por ejemplo, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y del Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa” (CSIC-UAM) están estudiando el papel que desempeña la presión interior ejercida por el genoma de ADN del denominado “virus diminuto del ratón” en el mantenimiento de la estructura de la partícula viral, para lo que analizan por separado viriones completos y cápsidas vacías, tanto en su variante natural como incluyendo proteínas con determinadas mutaciones.

Nanotubos naturales LAVAL UNIVERSITY

Nanotubos naturales LAVAL UNIVERSITY

También se trabaja con virus como sistemas modelo en el campo de la nanofluídica, tal como ejemplifica un estudio realizado por el CIC-Nanogune de San Sebastián utilizando el virus del mosaico del tabaco, que infecta a la planta Nicotiana tabacum. La cápsida de este virus (mostrada en la siguiente imagen de microscopía electrónica de transmisión, con una referencia de tamaño de 100 nm), posee simetría helicoidal y su forma es cilíndrica, con unos 300 nm de longitud, 18 nm de diámetro externo y 4 nm de diámetro interno. Mediante la combinación de estos nanotubos naturales con sistemas de micro- y nanofluídica, depositando nanogotas en ambos extremos de la cápsida se puede estudiar la difusión de iones metálicos y la migración de nanopartículas de oro por su interior. Con ello se analiza cómo fluyen los líquidos en tubos con diámetros menores de 30 nm, un límite a partir del cual se sabía poco sobre su comportamiento hidrodinámico.

Otra aplicación prometedora de los virus en bionanotecnología consiste en aprovechar que son nanomáquinas naturales muy especializadas, capaces de llegar a células concretas y entrar en ellas. Así, las cápsidas de virus desprovistas de su genoma (o bien virus completos modificados para eliminar su capacidad infectiva) pueden utilizarse como nanosistemas dispensadores de fármacos, que tras ser inyectados en el individuo enfermo reconocen sus dianas (por ejemplo, células tumorales) y liberan en su interior el cargamento terapéutico. En la actualidad existen distintas líneas de investigación en este campo, donde los virus están demostrando ciertas ventajas frente a otros nanodispensadores como nanopartículas, nanotubos de carbono o vesículas de distinto tipo. Este tema lo trataremos con mayor profundidad en otra ocasión, ya que constituye una de las líneas de trabajo más prometedoras de la nanomedicina.

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