Los descubrimientos de la virología podrían cambiar la biología

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Los virus son criaturas diminutas pero "increíblemente poderosas" sin las cuales no sobreviviríamos. Su influencia en nuestro planeta es innegable. Es fácil encontrarlos, los científicos continúan identificando tipos de virus previamente desconocidos. Pero, ¿cuánto sabemos sobre ellos? ¿Cómo sabemos cuál investigar primero?

El coronavirus SARS-CoV-2 es solo uno de los varios millones de virus que viven en nuestro planeta. Los científicos están identificando rápidamente muchos tipos nuevos.

Maya Breitbart ha buscado nuevos virus en los termiteros africanos, las focas antárticas y el Mar Rojo. Pero, resultó que, para encontrar algo realmente, solo tenía que buscar en el jardín de su casa en Florida. Allí, alrededor de la piscina, se pueden encontrar arañas de telaraña de la especie Gasteracantha cancriformis.

Tienen un color brillante y cuerpos blancos redondeados, en los que se notan motas negras y seis espinas escarlatas, similar a un arma extravagante de la Edad Media. Pero dentro de los cuerpos de estas arañas, Maya Brightbart se llevó una sorpresa: cuando Brightbart, un experto en ecología viral de la Universidad del Sur de Florida en St. desconocido para la ciencia.

Como saben, desde 2020, nosotros, la gente común, hemos estado preocupados por un solo virus particularmente peligroso conocido por todos ahora, pero hay muchos otros virus que aún no se han detectado. Según los científicos, alrededor de 10³¹diferentes partículas virales, que es diez mil millones de veces el número aproximado de estrellas en el universo observable.

Ahora está claro que los ecosistemas y los organismos individuales dependen de los virus. Los virus son criaturas diminutas, pero increíblemente poderosas, que aceleraron el desarrollo evolutivo durante millones de años, con su ayuda, se llevó a cabo la transferencia de genes entre organismos huéspedes. Al vivir en los océanos del mundo, los virus disecaron microorganismos, arrojaron su contenido al medio acuático y enriquecieron la red alimentaria con nutrientes. "No hubiéramos sobrevivido sin los virus", dice el virólogo Curtis Suttle de la Universidad de British Columbia en Vancouver, Canadá.

El Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV) descubrió que en este momento hay 9.110 tipos distintos de virus en el mundo, pero esto es obviamente una pequeña fracción de su total. Esto se debe en parte al hecho de que la clasificación oficial de virus en el pasado requería que los científicos cultivaran el virus en el organismo huésped o sus células; este proceso lleva mucho tiempo y, a veces, parece irrealmente complicado.

La segunda razón es que en el curso de la investigación científica, el énfasis estuvo en encontrar aquellos virus que causan enfermedades en humanos o en otros organismos vivos que son de cierto valor para los humanos, por ejemplo, se trata de animales de granja y cultivos.

Sin embargo, como nos recordó la pandemia del covid-19, es importante estudiar los virus que pueden transmitirse de un organismo huésped a otro, y esta es precisamente la amenaza para los humanos, así como para los animales domésticos o cultivos.

Durante la última década, la cantidad de virus conocidos se ha disparado debido a las mejoras en la tecnología de detección, y también debido a un cambio reciente en las reglas para identificar nuevos tipos de virus, que permitió detectar virus sin la necesidad de cultivarlos con un organismo huésped.

Uno de los métodos más comunes es la metagenómica. Permite a los científicos recolectar muestras de genomas del medio ambiente sin la necesidad de cultivarlos. Las nuevas tecnologías, como la secuenciación de virus, han agregado más nombres de virus a la lista, incluidos algunos que están sorprendentemente extendidos pero que aún están en gran parte ocultos para los científicos.

“Ahora es un buen momento para hacer este tipo de investigación”, dice Maya Brightbart. - Creo que, en muchos sentidos, ahora es el momento del viroma [viroma - la colección de todos los virus que son característicos de un organismo individual - aproximadamente Transl.] ".

Solo en 2020, ICTV agregó 1.044 nuevas especies a su lista oficial de virus, con miles de virus más en espera de descripción y hasta ahora sin nombre. La aparición de una variedad tan grande de genomas llevó a los virólogos a repensar la forma en que se clasifican los virus y ayudó a aclarar el proceso de su evolución. Existe una fuerte evidencia de que los virus no se originaron en una sola fuente, sino que ocurrieron varias veces.

Sin embargo, el verdadero tamaño de la comunidad viral mundial se desconoce en gran medida, según el virólogo Jens Kuhn del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas (NIAID) de EE. UU. En Fort Detrick, Maryland: "Realmente no tenemos idea de lo que está sucediendo".

En todas partes y en todas partes

Cualquier virus tiene dos propiedades: en primer lugar, el genoma de cada virus está encerrado en una capa de proteína y, en segundo lugar, cada virus utiliza un organismo huésped extraño, ya sea un hombre, una araña o una planta, para su reproducción. Pero hay innumerables variaciones en este esquema general.

Por ejemplo, los circovirus diminutos tienen solo dos o tres genes, mientras que los mimivirus masivos, que son más grandes que algunas bacterias, tienen cientos de genes.

Por ejemplo, hay bacteriófagos que son algo similares al aparato para aterrizar en la luna; estos bacteriófagos infectan bacterias. Y, por supuesto, hoy en día todo el mundo conoce las bolas asesinas tachonadas de espinas, cuyas imágenes ahora son dolorosamente familiares, quizás, para todas las personas de cualquier país del mundo. Y los virus también tienen esta característica: un grupo de virus almacena su genoma en forma de ADN, mientras que el otro, en forma de ARN.

Incluso hay un bacteriófago que usa un alfabeto genético alternativo, en el que la base nitrogenada A en el sistema ACGT canónico es reemplazada por otra molécula designada por la letra Z [la letra A representa la base nitrogenada "adenina", que es parte de ácidos (ADN y ARN); ACGT- bases nitrogenadas que componen el ADN, a saber: A - adenina, C - citosina, G - guanina, T - timina, - aprox. transl.].

Los virus son tan ubicuos y entrometidos que pueden aparecer incluso si los científicos no los están buscando. Entonces, por ejemplo, Frederik Schulz no tenía la intención de estudiar virus en absoluto, su área de investigación científica es la secuencia de genomas de aguas residuales. Como estudiante de posgrado en la Universidad de Viena, Schultz utilizó la metagenómica para encontrar bacterias en 2015. Con este enfoque, los científicos aíslan el ADN de una variedad de organismos, los trituran en trozos pequeños y los secuencian. Luego, un programa de computadora ensambla genomas individuales a partir de estas piezas. Este procedimiento recuerda a armar varios cientos de rompecabezas a la vez a partir de fragmentos separados mezclados entre sí.

Entre los genomas bacterianos, Schultz no pudo evitar notar una gran parte del genoma viral (aparentemente porque esta parte tenía genes de envoltura viral), que incluía 1,57 millones de pares de bases. Este genoma viral resultó ser un gigante, era parte de un grupo de virus, cuyos miembros son virus gigantes tanto en tamaño del genoma como en dimensiones absolutas (usualmente 200 nanómetros o más de diámetro). Este virus infecta amebas, algas y otros protozoos, afectando así los ecosistemas acuáticos, así como los ecosistemas terrestres.

Frederick Schultz, ahora microbiólogo del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU. En Berkeley, California, decidió buscar virus relacionados en bases de datos metagenómicas. En 2020, en su artículo, Schultz y sus colegas describieron más de dos mil genomas del grupo que contiene virus gigantes. Recuerde que anteriormente, solo 205 de estos genomas se incluyeron en las bases de datos disponibles públicamente.

Además, los virólogos también tuvieron que mirar dentro del cuerpo humano en busca de nuevas especies. El especialista en bioinformática de virus Luis Camarillo-Guerrero, junto con colegas del Instituto Senger en Hinkston (Reino Unido), analizaron los metagenomas intestinales humanos y crearon una base de datos que contiene más de 140.000 especies de bacteriófagos. Más de la mitad de ellos eran desconocidos para la ciencia.

El estudio conjunto de los científicos, publicado en febrero, coincidió con los hallazgos de otros científicos de que uno de los grupos más comunes de virus que infectan a las bacterias intestinales humanas es un grupo conocido como crAssphage (llamado así por el programa de ensambladores cruzados que lo descubrió en 2014).. A pesar de la abundancia de virus representados en este grupo, los científicos saben poco sobre cómo los virus de este grupo participan en el microbioma humano, dice Camarillo-Guerrero, quien ahora trabaja para la empresa de secuenciación de ADN Illumina (Illumina se encuentra en Cambridge, Reino Unido).

La metagenómica ha descubierto muchos virus, pero al mismo tiempo, la metagenómica ignora muchos virus. En los metagenomas típicos, los virus de ARN no están secuenciados, por lo que el microbiólogo Colin Hill de la Universidad Nacional Irlandesa en Cork, Irlanda, y sus colegas los buscaron en bases de datos de ARN llamadas metatranscripciones.

Los científicos generalmente se refieren a estos datos cuando estudian genes en una población, es decir, aquellos genes que se convierten activamente en ARN mensajero [ARN mensajero (o ARNm) también se llama ARN mensajero (ARNm) - aprox. transl.] involucrado en la producción de proteínas; pero los genomas de los virus de ARN también se pueden encontrar allí. Utilizando técnicas computacionales para extraer secuencias de datos, el equipo encontró 1.015 genomas virales en metatracriptomas de muestras de agua y limo. Gracias al trabajo de los científicos, la información sobre virus conocidos ha aumentado significativamente después de que apareció un solo artículo.

Gracias a estos métodos, es posible recolectar accidentalmente genomas que no existen en la naturaleza, pero para prevenir esto, los científicos han aprendido a usar métodos de control. Pero también existen otras debilidades. Por ejemplo, es extremadamente difícil aislar ciertos tipos de virus con gran diversidad genética, ya que es difícil para los programas de computadora reconstruir secuencias de genes dispares.

Un enfoque alternativo es secuenciar cada genoma viral por separado, como lo hizo el microbiólogo Manuel Martínez-García de la Universidad de Alicante en España. Después de pasar agua de mar a través de filtros, aisló algunos virus específicos, amplificó su ADN y procedió a la secuenciación.

Después del primer intento, encontró 44 genomas. Resultó que uno de ellos es un tipo de uno de los virus más comunes que viven en el océano. Este virus tiene una diversidad genética tan grande (es decir, los fragmentos genéticos de sus partículas virales son tan diferentes en diferentes partículas virales) que su genoma nunca ha aparecido en la investigación de metagenómica. Los científicos lo llamaron "37-F6" debido a su ubicación en un plato de laboratorio. Sin embargo, Martínez-García bromeó, dada la capacidad del genoma para esconderse a plena vista, debería haber sido nombrado 007 en honor al súper agente James Bond.

Árboles genealógicos de virus

Tales virus oceánicos, tan reservados como James Bond, no tienen un nombre latino oficial, como lo tienen la mayoría de los varios miles de genomas virales descubiertos durante la última década mediante la metagenómica. Estas secuencias genómicas plantearon una pregunta difícil para ICTV: ¿Es suficiente un genoma para nombrar el virus? Hasta 2016, existía el siguiente orden: si los científicos proponían algún nuevo tipo de virus o grupo taxonómico para ICTV, entonces, con raras excepciones, era necesario proporcionar en cultivo no solo este virus, sino también el organismo huésped. Pero en 2016, después de un intenso debate, los virólogos acordaron que un genoma sería suficiente.

Comenzaron a llegar solicitudes de nuevos virus y grupos de virus. Pero las relaciones evolutivas entre estos virus a veces no han quedado claras. Los virólogos suelen clasificar los virus según su forma (por ejemplo, "largo", "delgado", "cabeza y cola") o según sus genomas (ADN o ARN, monocatenario o bicatenario), pero estas propiedades nos dicen sorprendentemente poco. sobre su origen común. Por ejemplo, los virus con genomas de ADN bicatenario parecen haberse originado en al menos cuatro situaciones diferentes.

La clasificación inicial de los virus ICTV (que implica que el árbol de los virus y el árbol de las formas de vida celular existen por separado) incluía solo los escalones inferiores de la jerarquía evolutiva, que van desde las especies y los géneros hasta el nivel que, según el clasificación de vida multicelular, es equivalente a primates o coníferas. No hubo niveles más altos de la jerarquía evolutiva de los virus. Y muchas familias de virus existían de forma aislada, sin ningún vínculo con otros tipos de virus. Entonces, en 2018, ICTV agregó niveles de orden más altos para clasificar virus: clases, tipos y reinos.

En la parte superior de la clasificación de virus, ICTV puso grupos llamados "reinos" (reinos), que son análogos de "dominios" para las formas de vida celular (bacterias, arqueas y eucariotas), es decir. ICTV usó una palabra diferente para distinguir entre los dos árboles. (Hace varios años, algunos científicos sugirieron que algunos virus probablemente podrían encajar en el árbol de las formas de vida celular; pero esta idea no ha recibido una aprobación generalizada).

ICTV ha delineado las ramas del árbol de virus y ha asignado virus de ARN a una región llamada Riboviria; por cierto, parte de esta área es el virus SARS-CoV-2 y otros coronavirus, cuyos genomas son ARN monocatenarios. Pero entonces la vasta comunidad de virólogos tuvo que proponer grupos taxonómicos adicionales. Da la casualidad de que el biólogo evolutivo Eugene Koonin del Centro Nacional de Información Biotecnológica en Bethesda, Maryland, reunió a un equipo de científicos para encontrar una primera forma de categorizar los virus. Para ello, Kunin decidió analizar todos los genomas virales, así como los resultados de los estudios sobre proteínas virales.

Reorganizaron la región de Riboviria y propusieron tres reinos más. Ha habido controversias sobre algunos de los detalles, dijo Kunin, pero en 2020 los miembros de ICTV aprobaron la sistematización sin mucha dificultad. Dos reinos más recibieron luz verde en 2021, según Kunin, pero es probable que los cuatro originales sigan siendo los más grandes. Al final, sugiere Kunin, la cantidad de reinos podría llegar a 25.

Este número confirma la sospecha de muchos científicos: los virus no tienen un ancestro común. “No existe un progenitor único para todos los virus”, dice Kunin. "Simplemente no existe". Esto significa que es probable que los virus hayan aparecido varias veces a lo largo de la historia de la vida en la Tierra. Por lo tanto, no tenemos ninguna razón para decir que los virus no pueden volver a aparecer. "Constantemente aparecen nuevos virus en la naturaleza", dice el virólogo Mart Krupovic del Institut Pasteur de París, que ha estado involucrado tanto en la toma de decisiones de ICTV como en el trabajo de investigación del grupo Kunin sobre sistematización.

Los virólogos tienen varias hipótesis sobre las causas de los reinos. Quizás los reinos se originaron a partir de elementos genéticos independientes en los albores de la vida en el planeta Tierra, incluso antes de que se formaran las células. O tal vez dejaron células enteras, "escaparon" de ellas, abandonando la mayoría de los mecanismos celulares para mantener su existencia en un nivel mínimo. Kunin y Krupovich están a favor de la hipótesis híbrida, según la cual estos elementos genéticos primarios "robaron" el material genético de la célula para construir partículas virales. Dado que existen muchas hipótesis sobre el origen de los virus, es muy posible que haya muchas formas de aparición, dice el virólogo Jens Kuhn, quien trabajó en el comité de ICTV en una propuesta para una nueva sistematización de virus.

A pesar de que los árboles virales y celulares son diferentes, sus ramas no solo se tocan, sino que también intercambian genes. Entonces, ¿dónde deberían clasificarse los virus: animados o inanimados? La respuesta depende de cómo se defina "vivo". Muchos científicos no consideran que el virus sea un ser vivo, mientras que otros no están de acuerdo. "Tiendo a creer que están vivos", dice el científico bioinformático Hiroyuki Ogata, quien está investigando virus en la Universidad de Kyoto en Japón. “Evolucionan, tienen material genético hecho de ADN y ARN. Y son un factor muy importante en la evolución de todos los seres vivos ".

La clasificación actual es ampliamente aceptada y representa el primer intento de generalizar la variedad de virus, aunque algunos virólogos creen que es algo imprecisa. Una docena de familias de virus aún no tienen conexión con ningún reino. “La buena noticia es que estamos tratando de poner al menos algo de orden en este lío”, agrega el microbiólogo Manuel Martínez-García.

Cambiaron el mundo

La masa total de virus que viven en la Tierra equivale a 75 millones de ballenas azules. Los científicos confían en que los virus afectan las redes tróficas, los ecosistemas e incluso la atmósfera de nuestro planeta. Según el especialista en virología ambiental Matthew Sullivan de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, los científicos están descubriendo cada vez más nuevos tipos de virus, y los investigadores "descubren formas previamente desconocidas en las que los virus tienen un impacto directo en los ecosistemas". Los científicos están tratando de cuantificar esta exposición viral.

“Por el momento no tenemos una explicación simple para los fenómenos que están ocurriendo”, dice Hiroyuki Ogata.

En los océanos del mundo, los virus pueden dejar los microbios que los hospedan y liberar carbono, que será reciclado por otras criaturas que se alimentan del interior de estos microbios y luego liberan dióxido de carbono. Pero más recientemente, los científicos también han llegado a la conclusión de que las células que estallan a menudo se agrupan y se hunden en el fondo de los océanos del mundo, uniendo el carbono de la atmósfera.

Derretir el permafrost en la tierra es la principal fuente de generación de carbono, dijo Matthew Sullivan, y los virus parecen ayudar a liberar carbono de los microorganismos en este entorno. En 2018, Sullivan y sus colegas describieron 1.907 genomas virales y sus fragmentos recolectados durante el deshielo del permafrost en Suecia, incluidos genes de proteínas que de alguna manera pueden influir en el proceso de descomposición de los compuestos de carbono y, posiblemente, el proceso de su transformación en gases de efecto invernadero..

Los virus también pueden influir en otros organismos (por ejemplo, barajar sus genomas). Por ejemplo, los virus llevan genes de resistencia a los antibióticos de una bacteria a otra, y eventualmente pueden prevalecer cepas resistentes a los medicamentos. Según Luis Camarillo-Guerrero, con el tiempo, dicha transferencia de genes puede causar cambios evolutivos serios en una población en particular, y no solo en las bacterias. Así, según algunas estimaciones, el 8% del ADN humano es de origen viral. Entonces, por ejemplo, fue del virus que nuestros ancestros mamíferos recibieron el gen necesario para el desarrollo de la placenta.

Los científicos necesitarán algo más que sus genomas para resolver muchas de las preguntas sobre el comportamiento de los virus. También es necesario encontrar los huéspedes del virus. En este caso, la pista puede almacenarse en el propio virus: el virus, por ejemplo, puede contener un fragmento reconocible del material genético del huésped en su propio genoma.

El microbiólogo Manuel Martínez-García y sus colegas han utilizado la genómica unicelular para identificar microbios que contienen el virus 37-F6 recientemente descubierto. El organismo huésped de este virus es la bacteria Pelagibacter, que es uno de los organismos marinos más extendidos y diversos. En algunas regiones de los océanos del mundo, Pelagibacter representa casi la mitad de todas las células que viven en sus aguas. Si el virus 37-F6 desapareciera repentinamente, continúa Martínez-García, la vida de los organismos acuáticos se vería gravemente alterada.

Los científicos necesitan descubrir cómo cambia su anfitrión para obtener una imagen completa del impacto de un virus en particular, explica la ecóloga evolutiva Alexandra Worden del Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) en Kiel, Alemania. Warden está estudiando virus gigantes que portan genes de una proteína fluorescente llamada rodopsina.

En principio, estos genes también pueden ser útiles para organismos hospedadores, por ejemplo, para fines tales como transferir energía o transmitir señales, pero este hecho aún no ha sido confirmado. Para averiguar qué sucede con los genes de la rodopsina, Alexandra Vorden planea cultivar el organismo huésped (huésped) junto con el virus para estudiar el mecanismo de funcionamiento de este par (huésped-virus), unidos en un solo complejo. - "virocell".

"Es sólo a través de la biología celular que se puede saber cuál es el verdadero papel de este fenómeno y exactamente cómo afecta el ciclo del carbono", agrega Warden.

En su casa de Florida, Maya Brightbart no cultivó virus aislados de las arañas Gasteracantha cancriformis, pero logró aprender un par de cosas sobre ellas. Los dos virus previamente desconocidos encontrados en estas arañas pertenecen al grupo que Brightbart ha descrito como "asombroso", y todo debido a sus diminutos genomas: el primero codifica el gen de la cubierta proteica, el segundo, el gen de la proteína de replicación.

Dado que uno de estos virus está presente solo en el cuerpo de la araña, pero no en sus patas, Brightbart cree que, de hecho, su función es infectar a la presa, que posteriormente es devorada por la araña. El segundo virus se puede encontrar en varias áreas del cuerpo de la araña, en la nidada de huevos y crías, por lo que Brightbart cree que este virus se transmite de padres a hijos. Según Brightbart, este virus es inofensivo para la araña.

Entonces, los virus son "en realidad los más fáciles de encontrar", dice Maya Brightbart. Es mucho más difícil determinar el mecanismo por el cual los virus afectan el ciclo de vida y la ecología del organismo huésped. Pero primero, los virólogos deben responder a una de las preguntas más difíciles, nos recuerda Brightbart: "¿Cómo sabemos cuál investigar desde el principio?"