Imitando a la Naturaleza: Diseño Molecular de un Virus

Cuando se inicia una nueva investigación uno nunca sabe que tan lejos podrá llegar, aunque uno supone que no tan lejos porque suele pasar que en ciencia uno va caminando muy lentamente. Pocos son los que han encontrado en su investigación la rendija que los llevará al otro lado, ese lado tan anhelado pero poco visitado. Eso es lo que pensaba hasta hace unos meses cuando los resultados de mi investigación empezaron a mostrar que el tiro por el que apostamos dio al blanco y así lo confirmaban experimentos sucesivos. La Composición Determina La Función

Empezaré explicando lo básico. Como todos saben toda la materia está hecha de átomos y moléculas y dependiendo de cómo estén arreglados en el espacio y tiempo es como serán sus propiedades. Esto también aplica para la materia biológica, la que está compuesta de biomoléculas, ya sabes, proteínas, ácidos nucleicos (ADN o ARN), lípidos y carbohidratos. La materia biológica también está ordenada en el espacio y tiempo aunque, no está de más decirlo, particularmente de manera muy precisa y compleja. Me detendré a explicar con más detalle este dato que es sumamente importante. Debido a su carácter polimérico¹, las biomoléculas forman estructuras regulares; esto significa que despliegan ciertos grupos químicos con orientación espacial fija, lo cual condiciona las interacciones que establecen con otras biomoléculas tanto en el tiempo y espacio y, por lo tanto, las propiedades de esa biomolécula en particular están determinadas. Por interacciones me refiero a fuerzas de atracción o repulsión hacia otros grupos químicos desplegados por otras (bio)moléculas, incluyendo las moléculas de agua. Todo esto depende en última estancia de la composición particular de la biomolécula. Es decir la composición de las biomoléculas codifica para su funcionalidad. Así es que conociendo la composición de una biomolécula en particular y sabiendo como se despliega en el espacio es posible predecir y modificar sus propiedades, o bien crear una biomolécula desde cero o de novo con ciertas propiedades. Esto es uno de los paradigmas más importantes de la química actual, es el engranaje que mueve la maquinaria de la (bio)nanotecnología. Se puede intuir la gran capacidad que tiene para revolucionar el estado actual de la tecnología.

Esta impresionante capacidad actual de la química es resultado de las pasadas décadas de estudio intensivo y acelerado de las propiedades básicas de la (bio)materia y de entender sus interacciones, desarrollar modelos para cuantificarlas y poder predecir sus efectos. A la par, han llegado otros desarrollos tecnológicos que permiten un rápido estudio de la ingeniería biomolecular, microscopios de fuerza atómica (que permiten ver y manipular átomos y moléculas individuales), de fluorescencia (entender interacciones y dinámicas), estandarización de métodos de biología molecular (para poder producir cualquier proteína exista o no en la naturaleza).

Diseñando (Bio)Moléculas Con Propiedades Específicas

Con esta capacidad para predecir las propiedades de nuevas (bio)moléculas los científicos hemos empezado a preguntarnos: ¿podemos diseñar (bio)moléculas que puedan imitar estructuras de la naturaleza tales como las encontradas en la fotosíntesis (para obtención de energía), o las capsulas virales (para tener sistemas de entrega de medicamentos mucho más eficientes) y usarlas para nuestro beneficio? La respuesta es sí.

Diseñando Partículas Virales Artificiales

Cuando inicié mi proyecto de doctorado mis supervisores me decían que no teníamos necesariamente que lograr lo que estaba planteado por escrito en la propuesta de anteproyecto, que usualmente, aunque se tiene como objetivo, no se alcanza. Bien, si la naturaleza ya lo ha logrado, ¿por qué no usarla como fuente de inspiración?

Si tomamos un virus muy sencillo, como el virus del mosaico del tabaco (VMT) y analizamos sus componentes, podemos distinguir que está compuesto por una sola molécula de ARN recubierta por alrededor de 2000 copias de una proteína, formando una estructura alargada de aproximadamente 300 nanómetros (parecen rodillos rígidos) donde el ARN se encuentra en el interior (ver figura 1). Parece ser que la cápsula (el recubrimiento) es bastante sencilla, solo un tipo de proteína que se ordena alrededor del ARN. ¿Como está diseñada esta proteína que al mezclarla con el ARN forma espontáneamente estructuras regulares capaces de infectar células de las hojas del tabaco? Como se pueden dar cuenta, el diseño mínimo de una partícula viral recae en el diseño de la cubierta proteínica, ya que básicamente ella realiza todas las funciones esenciales.

Figura 1. Virus del Mosaico del Tabaco (VMT). 1) ARN 2) Sub-unidad proteínica de la cubierta 3) Partículas virales ensambladas (Crédito de la imagen: Splette)

Si analizamos la proteína de la cubierta del virus podemos distinguir partes de ella que realizan funciones fundamentales (ver figura 2), 1) unión al ácido nucleico (ARN), 2) Auto-ensamblaje alrededor del ARN (establece interacciones entre proteínas adyacentes de manera coordinada y ordenada) 3) Estabilidad coloidal (evita que partículas virales ya formadas empiecen a agregarse entre sí o se insolubilicen, ya que partículas grandes tienden a precipitarse en solución).

Figura 2. Sub-unidad proteica de la cubierta del virus del mosaico del tabaco

 Codificando La Funcionalidad En La Composición Química

¿Cómo codificar estas funciones a nivel molecular en proteínas artificiales? Imitando la química de los virus. Si se toma una secuencia de aminoácidos (de lo que están hechas las proteínas) con alta densidad de carga positiva entonces se podrán unir a los ácidos nucleicos que son negativos. Si se une a esta otra secuencia con propiedades de auto-ensamblado entonces podrás dirigir la condensación del ácido nucleico en estructuras alongadas de forma cooperativa. La propiedad de auto-ensamblado es fundamental para hacer emerger la cooperatividad, propiedad que es ubicua en todos los sistemas biológicos y que asegurará que las partículas entre el ARN y la proteína estén ensambladas completamente y por lo tanto la información genética del ácido nucleico esté protegida. La última función requerida es la estabilidad coloidal que se puede lograr si se añade una secuencia de aminoácidos que den solubilidad al agregado. Estas propiedades permitirán que las partículas penetren las células y entreguen el cargamento de ADN. No está de más decir que una partícula viral artificial formada de esta forma es totalmente segura ya que no es capaz de replicarse e infectar nuevas células ya que esas funciones no están codificadas en la cubierta diseñada.

Después de una larga labor produciendo estas proteínas, en una de esas noches largas que pasarán a la posteridad, sentado enfrente del microscopio vislumbre una imagen increíble, una serie de estructuras alargadas esparcidas por la superficie. Eran mis partículas virales con las que habíamos soñado años antes. Unos minutos antes había mezclado un poco de ADN con cierta cantidad de mi proteína diseñada. Las proteínas que diseñamos habían empezado su danza microscópica, cual historia de amor, habían sido atraídas por ese aroma negativo del ADN, y empezado a recubrirlo. Una parte de ellas , responsable del auto-ensamblado, les ordenó a todas esas proteínas reunidas alrededor del ADN actuar, condensar el ADN en una pequeña partícula de 300 nm, rígida, alargada como una fibra. Acercamiento. Esto es un virus, una partícula viral artificial, una molécula de ADN condensada por una cubierta proteínica diseñada por nosotros. La danza molecular ha terminado, ahora yo danzo, brinco y grito de emoción. ¿Hasta dónde llegará esto? Semanas después colaboradores del Centro Médico de Nimega nos confirman, esas partículas han logrado entrar a células y entregar el ADN que expresa una proteína fluorescente. Después llegaron los teóricos de la Universidad de Eindhoven y nos cuentan que el proceso físico de ensamblaje es similar al del virus del mosaico del tabaco, nuestra fuente de inspiración.

Este estudio ha demostrado que es posible codificar en diferentes secuencias las mismas funcionalidades que se requieren para crear algún material que imite a componentes biológicos. De una forma es imitar la nanotecnología de la naturaleza. El diseño de moléculas funcionales que se auto-ensamblen en nuevos materiales con propiedades controladas a la escala nanométrica ya es una realidad. El siguiente paso es ahora empezar a crear otros materiales que imiten a la naturaleza de una manera mas compleja, ensambladores de nanomateriales, sensores ultra potentes, captadores de energía solar, cápsulas que respondan a estímulos del cuerpo para que combatan una enfermedad, etc. Las perspectivas son amplias para las partículas virales diseñadas de novo. Se pueden añadir secuencias con función de reconocimiento de células enfermas (por ejemplo, cáncer) para que sean usadas para terapia génica o para entregar otros ARN de interferencia afectando mínimamente al tejido sano. También pueden ser usados para crear vacunas de diseño.

En Hombros De Gigantes

En este punto me pongo a reflexionar sobre todos esos hombres y mujeres que desde hace décadas han contribuido a entender los componentes celulares, no solo para aplicar su conocimiento sino para entender lo que somos, y que con sus contribuciones han cimentado nuestro trabajo actual: podemos diseñar moléculas con un refinamiento tal que imiten a las máquinas moleculares de la naturaleza.²

Si tienes cualquier comentario, sugerencia o pregunta no dudes en dejarla. Gracias por tu atención.

Notas

1. Un polímero es una molécula muy grande formada por múltiples repeticiones de una unidad básica.

2. Si bien la célula no es en esencia una máquina, visualizarla como tal en ciertas ocasiones trae resultados muy prácticos y espectaculares

Escrito por Armando Hernández y publicado originalmente en su blog acerca de bionanotecnología

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Acerca del autor

Armando Hernández García es Químico de Alimentos egresado de la UNAM. Obtuvo el doctorado en la Universidad de Wageningen, Holanda y actualmente realiza un postdoctorado en la Universidad de Northwestern en Chicago. Su investigación se ha enfocado a entender y controlar los principios que subyacen la formación de nanoestructuras funcionales con proteínas y su posible aplicación biomédica. Contacto: armaquim@gmail.com y blog: http://bionanotecnologias.blogspot.com.

Gracias a los virus, que nos han dado tanto

«Hay muchos más virus en la Tierra que estrellas en el universo. Tantos, que si unieras todos ellos, uno tras otro en una sola fila, alcanzarían a medir casi 100,000 años luz», explica entusiasmado Carl Zimmer. Es mayo de 2011, y hace tan solo unos meses el reconocido divulgador científico publicó su libro "A Planet of Viruses". Ira Flatow, el locutor que lo entrevista en la National Public Radio, comienza el bombardeo de preguntas. Mientras habla, cuatro trillones de virus dentro de su cuerpo infectan bacterias y mantienen el balance del complejo ecosistema que existe en su intestino. A pesar de su mala reputación, los virus han formado parte de nuestra vida por tanto tiempo, caminando al paso de nuestra evolución, que nosotros mismos tenemos un lado viral: 8.3% del genoma humano –y quizá mucho más– proviene de algún virus. Principalmente de retrovirus (el mismo tipo al que pertenece el VIH), aquellos cuyo material genético consiste de una sola hebra de ARN. Para multiplicarse y generar cientos de minúsculos clones virales, los retrovirus usan una estrategia ingeniosa: convierten su ARN en ADN, molécula que compone nuestro propio genoma, y lo insertan dentro de una desafortunada célula, muy profundo en su núcleo. La célula, entonces, lee los genes virales como los suyos propios y comienza a fabricar nuevos invasores diminutos que terminarán por matarla.

Pero la historia no siempre ocurre así. Hace millones de años, un retrovirus infectó a un despistado mamífero pero falló en su tarea de convertirlo en una fábrica viral. Sus genes quedaron atrapados dentro del genoma de una célula germinal del anfitrión –fuese un espermatozoide o un óvulo– y pasaron a su descendencia. Los bebés del mamífero crecieron y tuvieron retoños a su vez, y los hijos de sus hijos también tuvieron hijos. Y así el retrovirus, paciente y silencioso, acompañó por miles de generaciones a estos animales que, ignorantes de su presencia, nunca imaginaron que su destino estaba a punto de cambiar.

En este punto, los genes del virus ya no eran los mismos: después de tantos años habían mutado hasta perder por completo su capacidad de multiplicarse. Pero uno de ellos se despertaría del largo invierno que lo había sumergido en coma celular y comenzaría a sintetizar una proteína que más tarde conoceríamos como sincitina. Esta molécula, que tiempo atrás había permitido a los virus fusionar varias células entre sí para poder dispersarse entre ellas, ahora desempeña un papel fundamental para varias especies animales.

"Sincitiotrofoblasto" es un nombre presuntuoso para referirse a una capa de células que se forman durante el desarrollo del embrión, pero se lo tiene bien ganado por la importancia que tiene: permite a la placenta fusionarse con el útero materno y funciona como una vía a través de la cual el feto recibe nutrientes de su madre. Sin esta microscópica capa celular, cuya existencia representa tan sólo un momento efímero en la vida del organismo, nosotros no estaríamos aquí. De hecho, ningún primate podría haber nacido jamás. Ningún ratón o conejo. Ni siquiera los gatos o los perros.

En febrero de 2000, un grupo de científicos estadounidenses descubrió un gen bastante peculiar en nuestro genoma y observó que se expresaba únicamente en el sincitiotrofoblasto. Al publicar su trabajo, nombraron a la proteína de este gen como "sincitina" y, al no parecerse a ninguna proteína humana, indagaron su origen: provenía de un virus. De un retrovirus, para ser exactos.

En otro artículo se encontró que el gen también estaba presente, letra por letra, en otros organismos como el ratón. Al mutarlo, los roedores generaban placentas deformes e inútiles, falleciendo a los pocos días dentro de su madre. Después se halló en los genomas del conejo, de otros primates y de muchos carnívoros –grupo de mamíferos que engloba a los felinos y caninos–. De manera sorprendente, en todos los casos, el gen estaba ubicado en la misma posición pero no venía de una misma infección viral: los ancestros de cada grupo de animales se habían infectado de manera independiente por un virus y, a través del tiempo, el gen de la sincitina, secuestrado en el genoma de sus anfitriones, intervino en un proceso vital para todos ellos: la formación del sincitiotrofoblasto. Gracias a esto, la mayoría de los mamíferos con placenta comenzaron a ocupar su lugar en la Tierra.

Hay excepciones, como siempre. Los cerdos y los caballos, por ejemplo, no tienen la misma estructura placentaria que nosotros. Algunos investigadores se han dedicado a encontrar el enigma de estos casos, pero la respuesta puede ser más sencilla de lo que se pensaba: sus ancestros nunca enfermaron con el virus correcto.

Sin embargo, siempre habrá lugar para ellos. Como menciona Carl Zimmer en medio de su entrevista, «tengan esto en mente: los genes que sí codifican proteínas en nuestro genoma representan sólo el 1.2 por ciento. Al parecer, somos más virus que humanos ».

Bibliografía:

Artículo de Carl Zimmer sobre los virus en The New York Times y su entrevista para la NPR | Artículo original de la sincitina, publicado en la revista Nature | Nota de Historias cienciacionales 

¿Estás presionado? Este virus también

Los fuegos labiales que le salen a mucha gente de una a tres veces al año es herpes labial, una infección causada por el virus del herpes simple tipo 1 (HSV-1). Una investigación en torno a este virus, liderada por Alex Evilevitch, de la Universidad Carnegie Mellon, en Pittsburg, Estados Unidos, junto con su equipo de trabajo, observó que la presión interna que existe dentro del HSV-1 es utilizada para expulsar su DNA dentro de las células humanas. Este mecanismo no es novedoso para la comunidad científica, pues los virus que infectan bacterias (bacteriófagos) se valen de grandes presiones para “disparar” su material genético dentro de ellas; sin embargo sí es el primer virus en infectar células humanas con este mecanismo observado.

En el artículo, los investigadores describen la ruta de acción del HSV-1: la cápsula del virus penetra la célula en cuestión y al llegar a la membrana nuclear, se adhiere. Posterior a maniobras moleculares para perforar la membrana, el virus expulsa su material genético por la presión que se genera debido a gradientes de concentración de agua y iones entre el interior y exterior de la cápsula permeable. Los resultados sugieren que la expulsión del DNA viral es pasiva al principio, ya que el material genético ocupa el 60% del espacio dentro de la cápsula y la presión no es grande. Una vez que una fracción del DNA sale, la presión cambia y se activan procesos enzimáticos que facilitan la expulsión del material restante.

Una vez entendido el proceso de acción y con ayuda de una solución química, los investigadores lograron suprimir la expulsión de material genético del virus por variaciones en la presión osmótica. Las similitudes de la supresión entre virus humanos y bacteriófaos demuestra la universalidad de la presión dentro de la cápsula viral, que en ambos tipos es de la misma magnitud. Los investigadores mencionan que la evolución ha conservado la expulsión de DNA mediada por presión en bacteriófagos y virus eucariontes debido a que es un mecanismo clave y efectivo de infección viral, mismo que es un nuevo blanco para terapias antivirales.

Fuentes: Artículo original | Nota de Eurekalert!

Dos virus gigantes abren la caja de Pandora

Abrir la caja de Pandora significa, en términos prácticos, realizar una acción que podría parecer pequeña, pero que finalmente tiene consecuencias severas y de gran alcance. Teniendo esto en mente, parece razonable el que hayan nombrado así a las dos nuevas especies de virus gigantes sin parecido alguno en morfología y material genético a ninguna familia de virus anteriormente descrita. De 1 micrómetro de largo y 0.5 micrómetros de ancho, son más grandes incluso que algunas bacterias y eucariontes.

Uno de los dos virus fue encontrado en una muestra de agua colectada en costas chilenas por Jean-Michel Claverie y Chantal Abergel, biólogos evolutivos de la Universidad Aix-Marseille en Francia. Originalmente, fue llamado “nueva forma de vida” (NLF, New Life Form) y estaba infectando y matando amibas. Posteriormente, hallaron un organismo similar en un lago de Australia. Al observarlo, cayeron en cuenta: ambas especies eran virus, los más grandes hasta ahora encontrados.

Su tamaño no es lo más impactante: sólo 7% de sus genes coincide con los que se tienen en las bases de datos. “¿Qué demonios está pasando con los demás genes? Esto abre la caja de Pandora ¿Qué clase de hallazgos se harán con el estudio del contenido genético?”, mencionó Claverie. Por esta razón y por su falta de similitud con otros microorganismos, los investigadores llamaron al género Pandoravirus: el virus de aguas chilenas es el Pandoravirus salinus, mientras que el de aguas australianas es el Pandoravirus dulcis.

El que ambas especies se encuentren separadas geográficamente y habiten agua salada y dulce significa, mínimo, dos cosas: la primera es que no son artefacto de células conocidas y la segunda es que el género Pandoravirus está bien distribuido.

Pandoravirus no presenta muchas de las características de organismos celulares como las bacterias. Por ejemplo, no generan sus propias proteínas, no producen energía vía ATP y su reproducción no es por división. Por otro lado, sí contienen genes comunes para virus gigantes y tienen un ciclo de vida viral.

Actualmente, los investigadores están determinando el origen de ambos virus al caracterizar los genes desconocidos y las proteínas que codifican. Además, tienen la hipótesis que los virus gigantes evolucionaron de células y, de estar en lo correcto, el ancestro debió ser muy diferente de las bacterias, archaea y eucariontes que conocemos hoy en día.

Este descubrimiento expande sustancialmente el conocimiento de la complejidad de los virus gigantes y confirma que la diversidad viral todavía está inexplorada. El hallazgo ha sido tan impactante, que incluso los científicos hablan de un cuarto dominio de la vida, que se suma a los otros tres: bacteria, archaea y eucarionte.

Artículo original en Science | Nota en Nature (de donde se tomó la cita de Claverie)

P.D. Los virus no son los únicos cuya diversidad continua inexplorada. Las bacterias también son un grupo del que conocemos muy poco. Lee más aquí

Influenza Aviar (A H5N1): ¿Peligro o Paranoia? [Parte 2 de 2]

¿Deben censurarse los resultados de la comunidad científica?

En la primera parte de este escrito, describíamos como se ha desarrollado el marco del debate en cuanto a la censurabilidad de los resultados científicos que pueden ser ligados directamente a una cuestión de seguridad.

Desde ese entonces cartas y comentarios han sido publicados en diferentes revistas científicas. Las cadenas de noticias a nivel mundial también ayudaron a extender la noticia. Básicamente hay dos grupos, aquellos que concuerdan con el NSABB y piensan que los resultados deben retenerse; y quienes están en contra y piensan que es necesaria su publicación para fomentar la investigación en el tema. Los argumentos son varios, las razones de la NSABB a grandes rasgos son: 1) la A H5N1 posee una tasa de mortalidad muy alta. 2) Su publicación permitiría que personas, organizaciones o países crearan virus similares y desataran una pandemia. 3) los riesgos y consecuencias de un ataque bioterrorista sobrepasan los posibles beneficios al conocimiento científico. La sugerencia que propone la NSABB es publicar los trabajos sin metodología y sin describir a detalle los resultados. Esto daría la oportunidad a los autores de dichas investigaciones de ser citados y formalizaría la información que por el momento se encuentra dentro de noticias, podcasts o blogs. Por su parte los opositores al NSABB argumentan que: 1) las tasas de mortalidad oficiales están demasiado sobrestimadas y que el número de personas que están tomadas en cuenta son sólo aquellas que acudieron a un hospital, se les realizo una prueba y se confirmó la presencia de la A H5N1. Es decir los números que presenta la OMS no cuentan infecciones asintomáticas o a personas infectadas que no acudieron al hospital pero que sanaron de la enfermedad. Hay que tomar en cuenta que los casos reportados representan los más graves y se dieron principalmente en zonas rurales de China, Vietnam, Egipto, Indonesia, entre otras naciones asiáticas. Así que probablemente hubo otras personas infectadas que por presentar síntomas menores y al tener centros de salud en poblaciones lejanas, decidieron no acudir al medico. 2) los hurones no son personas. Este es un controversial argumento ya que a su vez se pide dinero para financiar investigaciones científicas usando un organismo modelo (ya que ciertas investigaciones no pueden ser realizadas en humanos), y al mismo tiempo se minimiza el potencial de extrapolar el conocimiento adquirido al beneficio de las personas. No importando la incongruencia de los científicos, el hecho es que los hurones no son humanos y no se debe de inferir que algo que pasa en hurones, debe por definición también pasar en humanos. 3) la metodología y los resultados ya han sido vistos y son conocidos por varias personas, y por ende es obsoleto evitar la publicación. Y es que encima de las personas que realizaron el estudio, los editores y revisores y los miembros del NSABB; el pasado 12 de Septiembre del 2011, Ron Fouchier presentó los resultados de sus investigaciones frente un auditorio lleno durante una conferencia en Malta. Por lo tanto se estima que alrededor de 1000 personas han visto la metodología y los resultados. Además, los opositores a la NSABB concuerdan que ya es muy tarde para la censura, ya que la información que ha estado publicándose en cartas, comentarios, podcasts y periódicos es suficiente para reproducir el experimento. 4) Los beneficios de su publicación sobrepasan las posibles consecuencias. El conocer las mutaciones que contienen estos virus transmisibles entre hurones ayudaría a identificar si estas variantes se encuentran en la naturaleza y, por medio de vigilancia epidemiológica, se podría monitorear el desarrollo de dichas variantes y prevenir una posible pandemia, una no creada por el hombre. También, a final de cuentas estas investigaciones se realizaron para dilucidar los mecanismos de transmisión de la influenza, mismos que en la actualidad son muy pobremente entendidos. Y aunque no se ha hablado mucho de ello yo añadiría 5) Verificar la reproducibilidad de los datos. Para que una idea sea generalmente aceptada en ciencia debe de ser reproducible por distintos laboratorios. El simple hecho de ser publicado en prestigiosas revistas científicas no significa que no haya un error en los datos (ya sea intencional o no) y por ende los resultados y la metodología deberían de estar públicamente disponibles para que los demás laboratorios reproduzcan sus conclusiones.

Con argumentos o sin argumentos, este debate ha mostrado fallas estructurales en el sistema actual para difundir el conocimiento científico. Calurosas discusiones, como la que se llevo a acabo el pasado 2 de Febrero en la Academia de Ciencias de Nueva York, muestran la ruptura entre científicos, editores y políticos que este tema ha desatado. Dos horas de acusaciones y descalificaciones que llevaron a ningún lado y solo estancaron las negociaciones. He de decir que en mi particular opinión la NSABB actúo como un reportero sensacionalista al declarar el miedo que le produce la A H5N1 en comparación con enfermedades que han probado ser devastadoras a la lo largo de la historia como la peste y la viruela. Declaraciones imprudentes de los propios autores también vinieron a distorsionar el panorama, como las de Ron Fouchier que durante su conferencia en Malta se refirió a sus investigaciones como “algo muy estúpido”, “muy malas noticias” o “algo muy peligroso”.

Ante la respuesta de la sociedad científica mundial, y haciendo hincapié que la NSABB es un organismo de un solo país, la semana pasada en la cede general de la OMS en Ginebra, Suiza; se reunió a 22 expertos para llegar a un conclusión sobre este tema. Las revistas Nature y Science prepararon dos manuscritos para esta junta, uno con la información completa y otro con partes faltantes de acuerdo a la propuesta del NSABB. La OMS declaró que dado que la metodología no es novedosa, los estudios a grandes rasgos han sido publicados por terceras personas, y que incluso los datos de uno de los estudios ya habían sido presentados ante una conferencia publica; la censura de las investigaciones es inútil. Además, la OMS recalca la importancia de continuar la investigación sobre el origen de la transmisibilidad del virus y extender la vigilancia epidemiológica ya que existe un riesgo substancial inmediato de que el virus adquiera la capacidad de ser transmitido en la naturaleza. Sin embargo la OMS también solicita retrasar la publicación para informar a la sociedad, aunque también se dice que el retraso se da para dar tiempo a la NSABB a reformar su posición.

Sin embargo el debate no esta próximo a acabar, ya que ahora se deberá decidir el nivel de bioseguridad con el que se trabajará este virus. Es decir, falta definir las condiciones que los laboratorios deben satisfacer para poder manejar este virus. Todo apunta a que el virus será clasificado como BL-4 (máximo nivel de seguridad) lo cual en si limita el numero de laboratorios e instituciones que pueden manejar el virus. Lo cual afecta gravemente el numero de investigaciones que se podrían realizar y deja a discreción de un número selecto de personajes preguntas importantes de ciencia básica y bioseguridad. Simplemente en EUA sólo existen 15 laboratorios BL-4 de los cuales 9 pertenecen a instituciones gubernamentales y solo 4 a la Academia. Por ello pronostico que seguiremos viendo semana a semana el desarrollo de este tema que sin duda nos interesa a todos, la manera en que se maneja nuestra seguridad.

Referencias:

-Secciones “News in Focus” y “Comment” de la revista Nature desde Diciembre del 2011 hasta el 22 de Febrero del 2012. Aquí pueden encontrar todo lo relacionado a la influenza H5N1 publicado por esta revista: http://www.nature.com/news/specials/mutantflu/index.html

-Sección “Policy Forum” de la revista Science del 17 de Febrero del 2012

- Blog de la Revista “Scientific American” acerca de las declaraciones de Ron Fouchier durante su conferencia en Malta: http://blogs.scientificamerican.com/observations/2011/12/30/what-really-happened-in-malta-this-september-when-contagious-bird-flu-was-first-announced/

-Esta Semana en Virologia (TWiV, por sus siglas en ingles) diversos episodios pero principalmente 159 y 169: http://www.twiv.tv/

-Información sobre laboratorios BL-3 y BL-4 en EUA: http://www.gao.gov/new.items/d08108t.pdf

-Grupo de Discusión “Dual Use Research: H5N1 influenza Virus and Beyond”, The New York Academy of Sciences, 2 de Febrero 2012. Un video preparatorio de Nature lo pueden encontrar aquí: http://blogs.nature.com/news/2012/02/video-debating-h5n1-and-dual-use-research.html, y el video de toda la conferencia lo pueden encontrar aquí (hago hincapié en la discusión entre Peter Palease y Michael Osterholm) http://www.nyas.org/MemberCenter/AcademyNews.aspx?cid=8c61a204-36f6-4df8-8bd2-059882c5e287

Acerca del Autor

Daniel Blanco Melo es egresado de la Licenciatura en Ciencias Genómicas de la UNAM y actualmente es estudiante de Doctorado por la Universidad Rockefeller en Nueva York. Trabaja en el Laboratorio de Retrovirología en el Aaron Diamond AIDS Research Center.

Influenza Aviar (A H5N1): ¿Peligro o Paranoia? [Parte 1 de 2]

El conocimiento científico esta en constante desarrollo. Día a día, novedosas investigaciones nos acercan más a un mejor tratamiento, a un mejor diagnóstico, a una mejor forma de vivir. Sin embargo, una noticia en particular se encuentra sumergida en un acalorado debate dentro de los foros científicos más importantes del mundo. En Septiembre del año pasado dos laboratorios distintos reportaron la creación de variantes del virus de la influenza aviar (A H5N1) que tenían la capacidad de pasar de un mamífero a otro a través del aire. Las investigaciones fueron sometidas a publicación en las revistas Nature y Science (dos de las revistas científicas mas prestigiadas), las cuales de inmediato detuvieron su publicación; esto porque, aunque se han reportado diversos casos de infección en humanos, hasta ahora el virus de la influenza aviar que se encuentra en la naturaleza no puede ser transmitido de una persona a otra. Así comenzó un debate lleno de apasionadas discusiones, desinformación, amarillismo y paranoia que tendrá consecuencias muy importantes en el futuro manejo de la información científica.

El virus de la influenza posee una gran capacidad de cambio ya que, no sólo su mecanismo de reproducción introduce mutaciones a una taza mucho más elevada en comparación a la nuestra; también, su genoma fraccionado le confiere la habilidad de intercambiar segmentos del genoma entre diferentes versiones del virus.  Cuando una versión del virus (que normalmente afecta a una especie en particular) salta a otra especie (que normalmente es atacada por otra versión distinta),  los segmentos genómicos de los dos virus se pueden “reordenar” y dar lugar a un nuevo virus. Esto fue exactamente lo que sucedió en 2009 durante la pandemia de influenza A H1N1 en México: un virus de aves “reordenó” su genoma con un virus de cerdo y creo un nuevo virus que nuestro sistema inmune nunca antes había visto. Éste es en esencia el principio detrás de una pandemia. Cuando virus de animales (en especial de las aves) infectan y se adaptan a los humanos, tienen el potencial para causar pandemias devastadoras ya que poseemos poca, o ninguna, inmunidad ante ellos.

En la superficie del virus de la influenza se encuentran dos proteínas, la hemaglutinina (H) y la neuraminidasa (N), las cuales están en contacto con el exterior y por ende son las que nuestros anticuerpos reconocen. Actualmente se conocen 16 hemaglutininas y 9 neuraminidasas distintas. La influenza aviar o A H5N1 expresa la variante 5 de la hemaglutinina y la variante 1 de la neuraminidasa. Esta variante del virus de la influenza afecta principalmente a las aves; sin embargo, el contacto cercano de personas con aves de granja (pollos, patos, etc…), ha permitido que de vez en cuando el virus salte e infecte a seres humanos. Las personas que han sido infectadas con este virus no pueden transmitirlo a otras ya que los seres humanos no somos nicho natural de este virus.  Desde el 2003 la Organización Mundial de la Salud (OMS, por sus siglas en inglés) ha reportado 584 casos confirmados de infecciones con influenza aviar A H5N1, de los cuales 345 han resultado en fallecimientos. Esto es, en cifras oficiales, la tasa de mortalidad de la A H5N1 asciende a un 59%. Así que aproximadamente por cada 10 personas reportadas como infectadas, se presentan 6 muertes, teniendo en cuenta sólo los casos confirmados. Ahí se encuentra el detalle detrás de la polémica.

Ya se ha visto que la A H5N1 puede infectar personas, pero ¿tiene este virus la capacidad de transmitirse de una persona a otra? Es decir, ¿posee este virus el potencial de generar una pandemia? El grupo de Yoshihiro Kawaoka, de la universidad de Wisconsin en EUA, tratando de responder a esta pregunta combinó el gen H5 con los demás genes de la influenza A H1N1. Utilizando estos virus prosiguieron a infectar hurones (principal organismo modelo para estudiar la transmisión de influenza en mamíferos) e identificaron una versión mutada del virus que ellos crearon, el cual posee la habilidad de diseminarse entre hurones infectados y no infectados encerrados en diferentes jaulas por vía aérea. Al mismo tiempo, el grupo de Ron Fouchier, del centro médico Erasmus en Holanda, infectó hurones con A H5N1 y consecutivamente reinfectó nuevos hurones con virus producidos por los primeros. Este grupo continuó reinfectando hurones hasta que ya no hubo necesidad, el virus había adquirido la habilidad de infectar hurones sanos por vía aérea. Los resultados de estas investigaciones prueban el potencial de la A H5N1 para ser transmisible entre mamíferos (potencialmente también humanos) y reportan un pequeño numero de mutaciones que están presentes en estas versiones transmisibles de la A H5N1.

El grupo de Kawaoka presento sus resultados a revisión por la revista Nature. Por su parte el grupo de Fouchier presento sus resultados a la revista Science. El proceso de revisión y los puntos para aceptar un articulo varían de revista en revista pero en general, un vez que un articulo es aceptado a revisión, el editor pide la opinión de tres revisores (generalmente expertos en el tema) y decide en última instancia si el artículo será publicado o no. En este caso hubo una desviación al protocolo usual. Dada su alta tasa de mortalidad oficial, los resultados de estos estudios podrían ser aprovechados por personas ajenas al deber científico y despreocupadas por el beneficio de la humanidad. En otras palabras, los editores se dieron cuenta de que al publicar estos estudios estarían dando la receta para crear un virus con el potencial de hacer estallar una pandemia. Inmediatamente las respectivas revistas pidieron la opinión del Consejo Científico Nacional para la Bioseguridad de EUA (NSABB, por sus siglas en inglés) el cual aconsejó a las revistas de retener los resultados y evitar su publicación.

En la siguiente parte de esta entrada presentaremos los argumentos de ambas partes, para comprender mejor la situación ante la cual se encuentra la comunidad científica.

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.

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.

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.

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, 1^st edition.