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Bacteriófagos: Reyes en la virósfera

 

Cuando escuchamos la palabra virus, la mayoría de nosotros piensa en enfermedades, en parte porque los virus, por ejemplo el VIH, son responsables de enfermedades terribles; de  hecho sólo el virus causante de la viruela es responsable de más muertes humanas que cualquier otra enfermedad, se le atribuyen 500 millones de muertes sólo en Europa entre 1400-1800. Otras enfermedades causadas por virus incluyen el resfriado común, la influenza, el SARS y el ébola; sin embargo, la enorme mayoría de los virus no interactúan directamente con los seres humanos, sino que infectan bacterias y tienen una influencia determinante, muchas veces ignorada, en la ecología global del planeta y en la evolución de los seres vivos.

Los virus son organismos que se caracterizan por tener un genoma pequeño, de DNA o RNA, que está protegido por una especie de cápsula hecha de proteínas que se llama cápside. Cuando los virus están fuera de una célula, son partículas inertes (denominadas viriones) que se mueven pasivamente hasta que entran en contacto con una célula susceptible; cuando esto ocurre, las proteínas de la cápside son capaces de reconocer señales en la membrana de la desafortunada célula y provocar la internalización del genoma del virus. Esto puede ocurrir de varias maneras, pero una vez dentro, el programa genético del virus se activa y secuestra la maquinaria celular, redirigiendo el flujo de energía y materiales hacia la producción de nuevos viriones, que eventualmente provocan el colapso de la célula (lisis), dispersando a los viriones y reiniciando el ciclo.

Figura 1. Estructura básica de un bacteriófago

Los bacteriófagos (o simplemente fagos) son virus que infectan células bacterianas, y fueron descubiertos independientemente por Twört en 1915 y D’Herelle en 1917; siendo este último quién acuñó el término bacteriófago: comedor de bacterias. Aunque no podemos verlos, los bacteriófagos son el organismo dominante del planeta. A principios de los noventa se descubrió que en el mar hay 10 veces más viriones que células, y esta proporción ha sido observada en prácticamente todos los ambientes estudiados.  Las únicas dos excepciones son el tracto digestivo de pacientes en fase aguda de cólera, y en los pulmones de un paciente con fibrosis quísitica.

Cápside de bacteriofágo phiX174

En la actualidad se estima que existen 10^31 viriones en el planeta; para darse una idea de lo que eso significa, la población humana es de 7 mil millones (10^9), y el número de estrellas en el universo observable es de sólo 10^24. Además de su gran número, los fagos son increíblemente diversos a nivel genético; aunque pueden clasificarse en sólo 20 grupos de acuerdo a la forma de su cápside, los científicos continúan encontrando nuevos genes cada vez que secuencían el genoma de nuevos fagos; y estudios metagenómicos arrojan que hasta el 80% de la información genética en los bacteriófagos no está relacionada a ningún organismo conocido. Las funciones de la mayoría de estos genes son desconocidas, y se acumulan más rápido de lo que los científicos pueden estudiarlos.

Cuando se encuentran dentro de una célula bacteriana, dos fagos son capaces de recombinar o intercambiar información genética entre ellos, lo que les permite incrementar su diversidad. Sin embargo, cuando algo “falla” en el plan del virus, y su genoma queda atrapado dentro de una bacteria sin ser capaz de reproducirse, la propia bacteria puede tomar genes del fago que le sean útiles, por ejemplo: que le otorguen resistencia a otros fagos, que le permitan eliminar a otras bacterias o -lo más interesante-  que le otorguen una nueva función. Desde hace años los científicos habían notado que la capacidad de metabolizar algunos azúcares, o incluso la toxina del cólera fueron adquiridas por las bacterias a través de fagos; pero el ejemplo más importante, tiene que ver con la fotosíntesis. Todos sabemos que las plantas realizan fotosíntesis, pero al menos el 20% de este proceso es realizado por un grupo de bacterias marinas llamadas cianobacterias, mediante un grupo de genes denominados pba. El descubrimiento de que estos genes se encuentran también en los fagos marinos, fue seguido por la observación de que el repertorio de genes pba de una cianobacteria depende de la profundidad en la que vive y de los fagos que la infectan, lo que indica que los bacteriófagos son esenciales para mantener la capacidad fotosintética de los océanos.

Fagos atacando a una bacteria

El lado depredador de los fagos, aunque temible, también es importante. Retomando al tema de la fotosíntesis, aunque el oxígeno es esencial para la vida, es tóxico en altas concentraciones. Si las cianobacterias pudieran reproducirse libremente, la concentración de oxígeno en la atmósfera se incrementaría terminando con nuestra existencia y la de la vida como la conocemos. Afortunadamente, los fagos matan entre el 20-40% de las bacterias marinas diariamente, manteniendo el equilibrio de los ciclos del oxígeno y del carbono en el planeta. Otra utilidad de los fagos como depredadores, es en el tratamiento de infecciones bacterianas; se trata de una idea muy vieja que fue abandonada cuando los antibióticos se popularizaron a mediados del siglo XX, pero ante la aparición de cada vez más cepas bacterianas resistentes a antibióticos, ha habido un resurgimiento del interés en esta aplicación, principalmente basado en la idea de que los fagos también evolucionan, y por lo tanto pueden responder a las adaptaciones de las bacterias.

Un último punto que me gustaría abordar es el de los bacteriófagos como modelos científicos. Gracias a su simplicidad, abundancia, diversidad y fácil manipulación, los fagos son modelos excepcionales y han estado en el frontispicio de la biología desde su descubrimiento. Gracias al estudio de los fagos: se zanjó en definitiva la polémica sobre la naturaleza del material genético;  se descubrió el papel del mRNA en el flujo de la información genética; se lograron elucidar los mecanismos básicos de regulación de la expresión genética y de la replicación del DNA; en los fagos se mapeó el primer gen, se descubrieron las enzimas de restricción y las modificaciones epigenéticas; y los primero genomas secuenciados también fueron de bacteriófagos.

Los virus son mucho más que sólo agentes causantes de enfermedades. Aquí he expuesto sólo la punta del iceberg de la virósfera (el mundo de los virus). Espero haber despertado su interés y agradezco a Más Ciencia por México por invitarme a participar, y no olviden visitar mi blog (link abajo).

Acerca del Autor:
Sur Herrera Paredes es egresado de la Licenciatura en Ciencias Genómicas de la UNAM. Actualmente estudia el doctorado en Bioninformática y Biología Computacional en la Universidad de Carolina del Norte, EUA.  Además mantiene el blog de divulgación La Ciencia explicada.

Referencias:
Rohwer & Vega Thurber. “Viruses manipulate the marine environment” (2009). Nature 459, 207-212.
Sharon et al. “Viral photosynthetic reaction center genes and transcripts in the marine environment” (2007). The ISME Journal 1, 492-501.
Zimmer. “A planet of viruses” (2011). University Of Chicago Press, 1st edition.

 

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