El misterio del origen de los virus

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

Los virus apenas están vivos. Sin embargo, su origen y evolución se comprenden incluso menos que la aparición de organismos celulares "normales". Aún se desconoce quiénes aparecieron antes, las primeras células o los primeros virus. Quizás siempre han acompañado a la vida, como una sombra desastrosa.

El problema es que los virus no son más que fragmentos del genoma (ADN o ARN) encerrados en una capa de proteína. No dejan rastros en el registro fósil, y todo lo que queda por estudiar su pasado son los virus modernos y sus genomas.

Comparando, encontrando similitudes y diferencias, los biólogos descubren vínculos evolutivos entre diferentes virus, determinan sus características más antiguas. Desafortunadamente, los virus son inusualmente variables y variados. Baste recordar que sus genomas pueden estar representados por cadenas no solo de ADN (como en nuestro país y, por ejemplo, los virus del herpes), sino también de una molécula de ARN relacionada (como en los coronavirus).

La molécula de ADN / ARN en los virus puede ser simple o segmentada en partes, lineal (adenovirus) o circular (poliomavirus), monocatenaria (anellovirus) o bicatenaria (baculovirus).

Ciencia visual Virus de la influenza A / H1N1

Las estructuras de las partículas virales, las peculiaridades de su ciclo de vida y otras características, que podrían usarse para una comparación ordinaria, no son menos diversas. Puede leer más sobre cómo los científicos superan estas dificultades al final de esta publicación. Por ahora, recordemos lo que todos los virus tienen en común: todos son parásitos. No se conoce un solo virus que pueda llevar a cabo su metabolismo por sí solo, sin utilizar los mecanismos bioquímicos de la célula huésped.

Ningún virus contiene ribosomas que puedan sintetizar proteínas y nadie tiene sistemas que permitan la producción de energía en forma de moléculas de ATP. Todo esto los obliga, es decir, parásitos intracelulares incondicionales: no pueden existir por sí mismos.

No es de extrañar que, según una de las primeras y más conocidas hipótesis, aparecieran por primera vez las células y sólo entonces se desarrollara todo el diverso mundo viral en este suelo.

Regresivamente. De lo complejo a lo simple

Echemos un vistazo a la rickettsia, también parásitos intracelulares, aunque sean bacterias. Además, algunas partes de su genoma están cercanas al ADN, que está contenido en las mitocondrias de las células eucariotas, incluidos los humanos. Aparentemente, ambos tenían un ancestro común, pero el fundador de la "línea de mitocondrias", que infectaba la célula, no la mató, sino que se conservó accidentalmente en el citoplasma.

Como resultado, los descendientes de esta bacteria perdieron una masa de genes más innecesarios y se degradaron a orgánulos celulares que suministran a los huéspedes moléculas de ATP a cambio de todo lo demás. La hipótesis "regresiva" del origen de los virus cree que tal degradación podría haberle sucedido a sus ancestros: una vez organismos celulares completamente desarrollados e independientes, durante miles de millones de años de vida parasitaria, simplemente perdieron todo lo superfluo.

Esta vieja idea ha sido revivida por el reciente descubrimiento de virus gigantes como pandoravirus o mimivirus. No solo son muy grandes (el diámetro de partícula del mimivirus alcanza los 750 nm; en comparación, el tamaño del virus de la influenza es de 80 nm), sino que también llevan un genoma extremadamente largo (1,2 millones de enlaces de nucleótidos en mimivirus frente a varios cientos en virus comunes), que codifican muchos cientos de proteínas.

Entre ellos también hay proteínas necesarias para copiar y "reparar" (reparar) el ADN, para la producción de ARN mensajero y proteínas.

Estos parásitos dependen mucho menos de sus anfitriones y su origen de antepasados de vida libre parece mucho más convincente. Sin embargo, muchos expertos creen que esto no resuelve el problema principal: todos los genes "adicionales" podrían aparecer posteriormente a partir de virus gigantes, tomados de los propietarios.

Después de todo, es difícil imaginar una degradación parasitaria que pudiera llegar tan lejos y afectar incluso a la forma del portador del código genético y conducir a la aparición de virus ARN. No es de extrañar que se respete igualmente otra hipótesis sobre el origen de los virus, todo lo contrario.

Progresivo. De lo simple a lo complejo

Echemos un vistazo a los retrovirus, cuyo genoma es una molécula de ARN monocatenario (por ejemplo, el VIH). Una vez en la célula huésped, estos virus utilizan una enzima especial, la transcriptasa inversa, que la convierte en doble ADN ordinario, que luego penetra en el "lugar santísimo" de la célula, en el núcleo.

Aquí es donde entra en juego otra proteína viral, la integrasa, que inserta los genes virales en el ADN del huésped. Luego, las propias enzimas de la célula comienzan a trabajar con ellos: producen nuevo ARN, sintetizan proteínas sobre su base, etc.

Ciencias visuales Virus de la inmunodeficiencia humana (VIH)

Este mecanismo se asemeja a la reproducción de elementos genéticos móviles: fragmentos de ADN que no contienen la información que necesitamos, pero que se almacenan y acumulan en nuestro genoma. Algunos de ellos, los retrotransposones, incluso son capaces de multiplicarse en él, esparciéndose con nuevas copias (más del 40 por ciento del ADN humano se compone de tales elementos "basura").

Para ello, pueden contener fragmentos que codifican ambas enzimas clave: transcriptasa inversa e integrasa. De hecho, estos son retrovirus casi listos para usar, desprovistos solo de una capa de proteína. Pero su adquisición es cuestión de tiempo.

Incrustados en el genoma aquí y allá, los elementos genéticos móviles son bastante capaces de capturar nuevos genes del huésped. Algunos de ellos pueden ser adecuados para la formación de cápside. Muchas proteínas tienden a autoensamblarse en estructuras más complejas. Por ejemplo, la proteína ARC, que juega un papel importante en el funcionamiento de las neuronas, se pliega espontáneamente en forma libre en partículas parecidas a virus que incluso pueden llevar ARN adentro. Se supone que la incorporación de tales proteínas podría ocurrir unas 20 veces, dando lugar a grandes grupos modernos de virus que difieren en la estructura de su envoltura.

Paralelo. Sombra de vida

Sin embargo, la hipótesis más joven y prometedora vuelve todo al revés nuevamente, asumiendo que los virus aparecieron no más tarde que las primeras células. Hace mucho tiempo, cuando la vida aún no había llegado tan lejos, la protoevolución de moléculas autorreplicantes, capaces de copiarse a sí mismas, procedía en la "sopa primordial".

Gradualmente, estos sistemas se volvieron más complejos, transformándose en complejos moleculares cada vez más grandes. Y tan pronto como algunos de ellos adquirieron la capacidad de sintetizar una membrana y se convirtieron en protocélulas, otros, los antepasados de los virus, se convirtieron en sus parásitos.

Esto sucedió en los albores de la vida, mucho antes de la separación de bacterias, arqueas y eucariotas. Por lo tanto, sus (y muy diferentes) virus infectan a representantes de los tres dominios del mundo viviente, y entre los virus puede haber tantos que contienen ARN: son los ARN los que se consideran moléculas "ancestrales", la autorreplicación y la evolución. de los cuales condujo al surgimiento de la vida.

Los primeros virus podrían ser moléculas de ARN tan "agresivas", que sólo posteriormente adquirieron genes que codifican envolturas proteicas. De hecho, se ha demostrado que algunos tipos de caparazones pueden haber aparecido incluso antes del último ancestro común de todos los organismos vivos (LUCA).

Sin embargo, la evolución de los virus es un área aún más confusa que la evolución de todo el mundo de los organismos celulares. Es muy probable que, a su manera, las tres opiniones sobre su origen sean ciertas. Estos parásitos intracelulares son tan simples y al mismo tiempo diversos que diferentes grupos podrían aparecer independientemente unos de otros, en el curso de procesos fundamentalmente diferentes.

Por ejemplo, los mismos virus gigantes que contienen ADN podrían surgir como resultado de la degradación de células ancestrales y algunos retrovirus que contienen ARN, después de "ganar independencia" mediante elementos genéticos móviles. Pero es posible que la aparición de esta eterna amenaza se deba a un mecanismo completamente diferente, aún no descubierto y desconocido.

Genomas y genes. Cómo se estudia la evolución de los virus

Desafortunadamente, los virus son increíblemente volátiles. Carecen de sistemas para reparar el daño del ADN y cualquier mutación permanece en el genoma, sujeta a una mayor selección. Además, diferentes virus que infectan la misma célula intercambian fácilmente fragmentos de ADN (o ARN), dando lugar a nuevas formas recombinantes.

Por último, el cambio generacional se produce de forma inusualmente rápida; por ejemplo, el VIH tiene un ciclo de vida de solo 52 horas y está lejos de ser el más breve. Todos estos factores proporcionan la rápida variabilidad de los virus, lo que complica enormemente el análisis directo de sus genomas.

Al mismo tiempo, una vez en una célula, los virus a menudo no inician su programa parasitario habitual; algunos están diseñados de esta manera, otros debido a una falla accidental. Al mismo tiempo, su ADN (o ARN, previamente convertido en ADN) puede integrarse en los cromosomas del huésped y esconderse aquí, perdiéndose entre los muchos genes de la propia célula. A veces, el genoma viral se reactiva y, a veces, permanece en una forma tan latente, transmitiéndose de generación en generación.

Se cree que estos retrovirus endógenos representan hasta el 5-8 por ciento de nuestro propio genoma. Su variabilidad ya no es tan grande: el ADN celular no cambia tan rápidamente y el ciclo de vida de los organismos multicelulares alcanza decenas de años, no de horas. Por tanto, los fragmentos que se almacenan en sus células son una valiosa fuente de información sobre el pasado de los virus.

Un área separada e incluso más joven es la proteómica de los virus: el estudio de sus proteínas. Después de todo, después de todo, cualquier gen es solo un código para una determinada molécula de proteína necesaria para realizar determinadas funciones. Algunas "encajan" como piezas de Lego, doblando la envoltura viral, otras pueden unirse y estabilizar el ARN viral, y otras pueden usarse para atacar las proteínas de una célula infectada.

Los sitios activos de tales proteínas son responsables de estas funciones y su estructura puede ser muy conservadora. Conserva una gran estabilidad a lo largo de la evolución. Incluso las partes individuales de los genes pueden cambiar, pero la forma del sitio de la proteína, la distribución de cargas eléctricas en él, todo lo que es crítico para el desempeño de la función deseada, permanece casi igual. Al compararlos, se pueden encontrar las conexiones evolutivas más distantes.