Los virus como herramientas para la investigación científica


Recopilación de aportaciones virales - Parte 3



Ciencias de la vida

Los virus desempeñan papeles sumamente importantes para la vida. Hay evidencia de que podrían estar influyendo en grandes procesos ecológicos, como los biogeoquímicos. ¿Cómo lo logran?

En el mar, por ejemplo, se estudia su papel dentro de la dinámica de vida de los florecimientos algales. Estos florecimientos transforman grandes cantidades de carbono de la atmósfera en carbono orgánico, lo que funciona como una bomba biológica de carbono en el océano. En este bombeo, los virus influyen en la mortalidad de los florecimientos, provocando la ruptura de las células y liberando su contenido (Lehan et al., 2014). Además, en la zona eufótica de los ecosistemas marinos (la capa superficial del agua hasta donde penetra la radiación solar) con presencia de virus, hay un mayor reciclaje de materia orgánica, una disminución en la transferencia trófica de energía hacia los niveles de arriba y un incremento en la productividad primaria (Weitz et al., 2015).

Al estudiar los virus y su relación con las plantas, comúnmente se piensa en cultivos amarillos y moribundos. Sin embargo, algunos virus ayudan a que una planta sea resistente a sequías, al frío, a plagas y bacterias (Roossinck, 2013; Rossinck, 2015). Por ejemplo, se ha demostrado que la bacteria Erwinia tracheiphila causa marchitamiento e induce la producción de compuestos que atraen a su escarabajo vector, el cual lleva la bacteria hacia las plantas sanas. Cuando estas plantas se infectan con el virus del mosaico amarillo del calabacín, ZYMV (especie Zucchini yellow mosaic virus), los compuestos que atraen a los escarabajos se reducen, por lo que prácticamente el virus evita que los escarabajos sigan propagando la bacteria (Rossinck, 2015). Aportes positivos como este ayudan a minimizar las pérdidas en la producción de alimentos, y a suplir las actuales y futuras demandas alimentarias.

Por otro lado, gracias al estudio de la interacción virus-hospedero se han podido describir diversos procesos biológicos. Por ejemplo, se ha descubierto que algunos virus pueden evadir la respuesta inmunitaria del hospedero mediante mutaciones propias o a través de la expresión de proteínas con capacidad inmunomoduladora y, de esta manera, replicarse indefinidamente dentro del hospedero causando una infección (Chigbu et al., 2019). Se ha demostrado que estas proteínas pueden alterar procesos o poblaciones celulares del hospedero, lo que puede utilizarse como una posible aplicación terapéutica contra diversas patologías al modificar poblaciones de células inmunes capaces de regular o activar la respuesta inmunitaria.

Otra herramienta importante que ha sido desarrollada para protección a nuestra salud, son las vacunas.

Entre los principales antecedentes de las vacunas se encuentran las prácticas de “variolación” llevadas a cabo por las civilizaciones chinas y turcas en el siglo XV. Esta práctica consistía en inhalar costras secas dejadas por las pústulas de viruela o insertarlas en cortes de la piel (Kindt et al., 2007).  En la variolación se activa la inmunidad adaptativa a partir de una infección leve provocada deliberadamente por la exposición al microorganismo, lo cual implicaba un riesgo considerable al usar virus no atenuados.

Posteriormente, en 1798, Edward Jenner se percató de que la infección por el virus de la viruela bovina brindaba inmunidad protectora contra la viruela humana sin el riesgo de la enfermedad letal. Gracias a estas observaciones, Jenner logró inocular líquido de una pústula inducida por el virus bovino, con el fin de aplicarlo a personas para protegerlas de la viruela humana. La primera prueba fue realizada exitosamente a un niño de ocho años que no desarrolló síntomas de la enfermedad (Murphy et al., 2008). Actualmente esta práctica es conocida como vacunación y representa uno de los mayores avances en la historia de la medicina.

Una vacuna tiene como objetivo notificar con anticipación a nuestro sistema inmunitario sobre la presencia de un patógeno, activando sus células y preparándolo para defender al organismo en caso de una infección. Si existe una futura interacción con el agente infeccioso, estas células lo recordarán y se encargaran de neutralizarlo (Kindt et al., 2007).

Actualmente se desarrollan vacunas contra el virus SARS-CoV-2, que genera la enfermedad COVID-19. Cabe destacar que las investigaciones para generar estas vacunas se realizan en tiempo récord, ya que el desarrollo de una vacuna toma aproximadamente 13 años. Sin embargo, gracias al avance tecnológico de la biología molecular, la genética y la bioinformática, se logró desarrollar las vacunas en casi un año.

Para crear una vacuna efectiva es necesario estudiar a profundidad las características del virus específico, como su genoma o propiedades fisicoquímicas. Este estudio ha permitido a los investigadores desarrollar diferentes tipos de vacunas, entre las que destacan:

Las vacunas basadas en genes virales, que utilizan uno o más genes del virus para provocar una respuesta inmunitaria.

Las vacunas basadas en proteínas, que utilizan elementos proteicos del virus como la cápside o proteínas asociadas a la envoltura de algunos virus.

Y las vacunas de virus completo, en las que se utiliza el virus atenuado o inactivado para la generación de anticuerpos.

¿Es sencillo desarrollar una vacuna efectiva? Para ser aprobada, una vacuna debe cumplir con una serie de fases que demuestren su seguridad y eficacia. La situación de emergencia actual ha provocado que algunas fases de la investigación se lleven a cabo al mismo tiempo. Sin embargo, regularmente siguen un orden secuencial con la siguiente estructura:

El desarrollo de una vacuna inicia con pruebas preclínicas, donde los investigadores administran la vacuna a animales como ratones o monos con el fin de observar una respuesta inmunitaria. La siguiente etapa es la Fase I, y en ella se busca estudiar la seguridad y dosificación de la vacuna, donde se administra a un pequeño grupo de personas y se confirma la estimulación del sistema inmunitario. Durante la Fase II, el número de personas evaluadas aumenta a un orden de cientos y son clasificados en diversos grupos (como niños y ancianos), para comparar los tipos de respuesta. Con estos ensayos se refuerza la seguridad y eficacia de la vacuna. En la Fase III, se compara la eficacia de la vacuna contra la administración de placebo o medicamentos control. Finalmente, en la etapa de Aprobación, las agencias regulatorias de cada país analizan los resultados y otorgan el permiso de comercialización (The New York Times, 2020).

¿Qué otras cosas conocemos gracias a los virus?

Entre los grupos virales más destacados en cuanto a aportaciones realizadas a la biología molecular, se encuentran los bacteriófagos, cuyo hospedero son las bacterias. Estos virus, conocidos como fagos, poseen una de las morfologías de partículas más reconocibles para el ser humano; sin embargo, sus contribuciones a la ciencia lamentablemente no son tan conocidas. Gracias a estos virus, en 1952 Alfred Hershey y Martha Chase lograron dilucidar que el ácido desoxirribonucléico (ADN) es el material capaz de ser transferido de un virus a una célula (Chen, 2019); lo que posteriormente llevaría a la descripción de los procesos de herencia genética.

En la actualidad este es el principio biológico mediante el cual se desarrollan múltiples aplicaciones, entre ellas las vacunas y el mejoramiento genético de plantas para hacerlas más resistentes a plagas, incluso para conocer los rasgos o padecimientos que pueden ser heredados.

Además, se conoce que las proteínas son las moléculas involucradas en muchos procesos celulares y que el ADN contiene la “receta” para generarlas. A su vez, el intermediario en este proceso de genes a proteínas, conocido como ARN mensajero, fue descrito gracias al descubrimiento de genomas de ARN de fagos. Es decir, gracias a las bacterias y los fagos como modelos de estudio excepcionales, hoy tenemos conceptos fundamentales como el dogma central de la biología molecular, un diagrama que muestra cómo se crean las proteínas en organismos vivos. Esto ha servido para describir el mecanismo de numerosas enfermedades y producir industrialmente distintas moléculas, como la insulina o los factores de coagulación que son empleados en diversas terapias.

A un siglo de su descubrimiento, los fagos se han posicionado como excelentes candidatos para el control de bacterias patógenas para el ser humano. Generalmente, estas bacterias son tratadas con antibióticos que alteran su ciclo vital de diversas maneras. No obstante, su uso indiscriminado ha provocado un fenómeno conocido como resistencia bacteriana, catalogada por la Organización Mundial de la Salud como una de las amenazas más importantes para la salud pública en el mundo actual y un problema crítico con severo impacto económico y social (Tamariz et al., 2014; OMS, 2018). De manera que se ha propuesto estudiar fagos y estandarizar técnicas para eliminar bacterias patógenas dentro del organismo de manera más selectiva (Koskella y Meaden, 2013), lo que minimiza el riesgo de seguir generando resistencia (Romero-Calle et al., 2019).

Otra aplicación tecnológica de los virus es el desarrollo de partículas tipo virus. Para entender cómo funcionan podemos partir de la estructura típica de una partícula viral: sabemos que tiene material genético (ADN o ARN necesario para llevar a cabo un proceso infeccioso) dentro de una cápside de proteínas, que puede tener múltiples formas como rodillo, tubos, e icosaedros, por mencionar algunas.  

Si se extrae el material genético infeccioso de ese virus, tendremos una cubierta muy pequeña en la que podemos introducir enzimas, antioxidantes e incluso medicamentos, con la finalidad de llegar de manera específica a lugares donde solo algo tan pequeño podría. Esto protege, al mismo tiempo, a las moléculas de la degradación que sufren al entrar al cuerpo. Por ejemplo, en la película Viaje fantástico (Fleischer, 1966), un grupo de personas navega un submarino capaz de entrar al cuerpo humano. Estas cápsides serían el submarino, cuya función es proteger lo que contiene y ser guiado por el cuerpo hasta alcanzar un sitio en particular, gracias a su capacidad de “navegación”.

Para que un medicamento alcance su lugar de acción con la concentración suficiente, típicamente es necesario suministrar una cantidad alta de moléculas, ya que serán difundidas en el cuerpo y no todas llegarán activas. Por ello se propone a las cápsides virales como sistemas prometedores que, al no permitir la degradación inmediata de estas moléculas, requerirían de una menor cantidad del fármaco y, por lo tanto, se aumentaría la potencia de estos tratamientos. Además, las cápsides de los virus podrían utilizarse también para transportar herbicidas, elementos de contraste para imagenología o ser usados para alcanzar órganos no disponibles para los medicamentos actuales, debido a su potencial para atravesar barreras biológicas como la hematoencefálica.

 

 

Referencias

  • Weitz, J. S., Stock, C. A., Wilhelm, S. W., Bourouiba, L., Coleman, M. L., Buchan, A.,…, Middelboe, M. (2015). A multitrophic model to quantify the effects of marine viruses on microbial food webs and ecosystem processes. The ISME journal, 9(6), 1352-1364
  • Roossinck, M. J. (2013). Plant virus ecology. PLoS Pathog, 9(5), e1003304.
  • Roossinck, M. J. (2015). Plants, viruses and the environment: ecology and mutualism. Virology, 479, 271-277.
  • Chigbu, D., Loonawat, R., Sehgal, M., Patel, D., Jain, P. (2019). Hepatitis C Virus infection: Host–virus interaction and mechanisms of viral persistence. Cells, 8(4), 376.
  • Kindt, T. J., Goldsby, R. A., Osborne, B. A., Kuby, J., Palacios, M. R. (2007). Inmunología de Kuby. México: McGraw-Hill Interamericana.
  • Murphy, K., Travers, P., & Walport, M. (2008). Inmunobiología de Janeway (7a. ed.). Distrito Federal: McGraw-Hill Interamericana.
  • Zimmer, C., Corum, J., Wee, S. (2020) Coronavirus Vaccine Trucker. The New York Times. Recuperado de:  https://www.nytimes.com/interactive/2020/science/coronavirus-vaccine-tracker.html?utm_source=Science_on_Tap&u tm_medium=email&utm_campaign=SoT-24439&et_rid=35395995&et_cid=3363728#cansino
  • Chen, Y., Batra, H., Dong, J., Chen, C., Rao, V. B., & Tao, P. (2019). Genetic Engineering of Bacteriophages Against Infectious Diseases. Frontiers in microbiology, 10, 954. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00954
  • Tamariz, J. H., Lezameta, L., Guerra, H. 2014. Fagoterapia frente a infecciones por Staphylococcus aureus meticilino resistente en ratones. Revista Peruana de Medicina Experimental y Salud Pública, 31, 69-77.
  • Koskella, B., & Meaden, S. (2013). Understanding bacteriophage specificity in natural microbial communities. Viruses, 5(3), 806–823. https://doi.org/10.3390/v5030806
  • Romero-Calle, D., Guimarães Benevides, R., Góes-Neto, A.,Billington, C. (2019). Bacteriophages as Alternatives to Antibiotics in Clinical Care. Antibiotics (Basel, Switzerland), 8(3), 138. https://doi.org/10.3390/antibiotics8030138

 

Palabras clave: Virus, salud, posgrado, aportaciones, virología

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