El descubrimiento de los virus gigantes

Los virus son vistos popularmente como diminutos ladrones que se cuelan en las células para tomar el control biosintético para multiplicarse y continuar el ciclo de replicación. Por lo general, se entiende que son aún más pequeños que las células y mucho más sencillos, con los genes básicos para cumplir sus funciones. Pero, como es habitual en la ciencia, siempre aparece un nuevo paradigma para desafiar lo establecido.

En 1992 se aisló un nuevo microorganismo de la torre de enfriamiento de una central energética de Bradford, Inglaterra, mientras Timothy Robotham, microbiólogo en el laboratorio de salud pública de Leeds, buscaba el agente causal de un brote local de pneumonía. Su búsqueda le llevó a las cálidas aguas de la torre de enfriamiento, reservorio conocido de patógenos bacteriales del género Legionella, causante de un tipo de pneumonía conocida como la enfermedad del legionario. Se consideraron erróneamente a las partículas presentes en la muestra como bacterias. Gram positivas y visibles al microscopio como patógenos dentro de la ameba Acanthamoeba polyphaga, la entidad no generaba ningún producto de la técnica amplificadora de genes PCR (Reacción de Cadena de Polimerara) usando cebadores bacterianos universales.

En el 2003, ese microorganismo misterioso recibió el nombre de Acanthomoeba polyphaga Mimivirus, por ser un virus que imitaba a las bacterias. El Mimivirus era el mayor virus descubierto. Los virus gigantes no eran una novedad y muchos se englobaban en el grupo de virus nucleocitoplasmáticos de ADN de gran tamaño (NCLDV). Este grupo engloba a otras familias de virus, incluyendo Poxviridae, que infecta vertebrados (p.ej. la viruela) e invertebrados, los virus acuáticos Iridoviridae y Phycodnaviridae, y el virus de vertebrados Asfarviridae. Se considera que los virus gigantes tienen algunos de los genomas más grandes con 300 pares de kilobases y diámetros de la cápside con 200 o más nanómetros.

El Mimivirus es un gigante entre los gigantes, con un diámetro de 750 nanómetros. Posee un genoma que supera todos los criterios víricos, de 1,2 millones de pares de bases, codificando unos 1 018 genes. En comparación, la menor bacteria independiente, Mycoplasma genitalium, mide 450 nanómetros de diámetro y posee un genoma con la mitad del tamaño del Mimivirus, codificando tan solo 482 proteínas. El organismo más pequeño del mundo, Hodgkinia cicadicola, un parásito de cícadas descrito en el 2009, tiene un genoma de tan solo 140 000 pares de bases, codificando una miserable cifra de 169 proteínas. H. cicadicola es incapaz de vivir por su cuenta, dependiendo completamente del exuberante ambiente de las células especializadas de la cícada. Generalmente los virus no se consideran organismos vivos, pero el Mimivirus tiene un mayor cianotipo y más material en el proceso de replicación que organismos vivos como la H. cicadicola y otras bacterias.

La mayoría de los virus gigantes han sido descubiertos y caracterizados en los últimos años. Hay varias razones por las que estas sorprendentes entidades biológicas han permanecido indetectables durante tanto tiempo. Entre las más importantes es que la herramienta clásica para aislar partículas víricas lo hace a través de filtros con poros de 200 nanómetros. Con los virus siendo definidos como las partículas replicantes presentes en estos filtrados, los virus gigantes permanecían indetectables durante generaciones para la virología. Los procedimientos típicos de plaqueamiento no lograban probar la presencia de virus gigantes porque las grandes partículas se atascaban en el agar del medio, interrumpiendo la difusión y formación de placas visibles. Una explicación adicional para su elusividad es que muchos virus gigantes infectan a protistas, que han recibido mucha menos atención en la investigación de las plantas y animales.

Con el foco apuntándoles, los virus gigantes están ofreciendo una importante lección en la ecología y fisiología viral, sin mencionar el desafío a las duraderas suposiciones sobre la forma del árbol filogenético de la vida.

Gran familia

Un factor fundamental para la situación en el árbol de la vida de los virus gigantes es la presencia de numerosas familias de genes, previamenet desconocidas, codificadas por los virus. Una reconstrucción reciente de los NCLDV sugiere un posible ancestro común que contenía al menos 47 genes que han dejado rastros en los genomas víricos actuales. Los NCLDV evolucionaron perdiendo algunos genes, duplicando otros y adquiriendo genes de sus huéspedes y otros organismos. Los virus gigantes, como otros virus, son carteristas genéticos, tomando genes de sus huéspedes durante eones.

La interpretación de las reconstrucciones filogenéticas virales está por lo tanto llena de incógnitas. Aunque es visible un esquema difuminado de la historia evolutiva. Un análisis de 45 virus gigantes identificó cinco genes comunes a todos los virus NCLDV y 177 genes adicionales compartidos por al menos dos de las familias de virus. Sin embargo, la antigua señal genética es muy débil. Considera que en una selección de tres virus en la familia Phycodnaviridae, 14 genes en común indican una historia evolutiva compartida, pero en los desmadejados genomas de estas entidades biológicas existen más de 1 000 genes. El Mimivirus es un representante adecuado de los virus gigantes, exhibiendo una variedad de propiedades únicas que señalan a la diversidad de los virus gigantes conocidos y aquellos aún por ser descubiertos. La partícula virión del Mimivirus (el conjunto completo del material genético y la cubierta de proteínas) tiene un núcleo icosaédrico de unos 500 nanómetros cubierto por una capa de unos 140 nanómetros de fibras íntimamente agrupadas. Las fibras no se han caracterizado completamente, pero basado en la presencia de genes similares al colágeno en el genoma del Mimivirus, puede ser una forma de colágeno sustituido, el constituyente fibroso del tejido conjuntivo animal. El Mimivirus es el único miembro conocido de los NCLDV con una capa de fibra periférica. Otro rasgo singular de su virión es la estructura de estrella de cinco puntas en un vértice icosahédrico llamado portal "Stargate".

La investigación sugiere que el Mimivirus ingerido por una ameba entra en la célula en un compartimento membranoso que se fusiona con los lisosomas, los orgánulos digestivos. Se precide que la actividad de las encimas lisosomales abre el portal Stargate. Una membrana interna del Mimivirus se fusiona aparentemente con el compartimento de la membrana que la engloba, formando un conducto por el que el genoma vírico pasa al citoplasma del huésped. Se forma un complejo ensamblaje vírico llamado fábrica de replicación en el citoplasma que rodea al núcleo viral. Esta fábrica de replicación ocupa una gran parte del volumen de la célula seis horas después de la infección inicial.




En la fábrica de replicación, vacía, ensamblando parcialmente cápsidas virales sin fibras, experimenta el empaquetamiento del ADN. Curiosamente, se informa que el empaquetamiento del ADN ocurre a través de las caras de la cápsida viral que no son la Stargate - el ADN entra y sale del virión aparentemente en portales distintos, algo muy inusual para un virus.



En el 2008, fue aislada una nueva cepa del Mimivirus en otra torre de refrigeración, esta en París. Con un genoma ligeramente mayor que el Mimivirus, esta nueva cepa fue llamada Mamavirus y, por sorpresa, tenía un virus parásito llamado Sputnik. Los satélites virales, que son muy comunes, son agentes subvirales consistentes en pequeñas cantidades de ácido nucleico cuya replicación depende de un genoma viral. En este caso, el compañero viral pudo ser llamado inadecuadamente, a que Sputnik parece no ser un simple satélite sino un parásito legítimo de su huésped. Cuando está presente, interfiere con la infectividad del Mamavirus en las amebas y parece ser la causa de la formación de viriones defectuosos de Mamavirus, que no es el caso de los virus satélite tradicionales. Esta propiedad sin precedentes y otros rasgos de su estilo de "vida" han llevado a la propuestas de un nuevo grupo y nombre, virófago, para virus que parasitan a los virus gigantes. Un artículo publicado en abril de 2011 informa de una nueva cepa de Mimivirus infectada por una nueva cepa de virófago. En la ocupada empresa de la investigación de virus gigantes, las noticias vienen rápido y a menudo.

Orígenes

El origen de los NCLDV es polémico. Con el descubrimiento del Mimivirus, algunos investigadores, refiriéndose al gran número de genes sin parecido detectable a ningún gen celular - 86% de las secuencias codificadoras del Mimivirus - concluyeron que los NCLDV debían ser considerados un cuarto dominio junto con las arqueas, bacterias y eucariotas. Se ha sugerido que algunos genes NCLDV pudieron surgir de la misma reserva genética de la que surgieron los procariotas y eucariotas.

Una pareja interesante de hipótesis contrastantes sugiere que dado el tamaño y complejidad de los genomas de NCLDV, o el ancestro de los NCLDV modernos dio lugar al propio genoma eucariota o el deterioro del genoma eucariótico pudo hab er producido el genoma de la familia NCLDV. La transferencia horizontal de genes entre virus y huésped también pudo tener una función importante en la evolución de los NCLDV (y sus células huésped), comenzando muy pronto en la historia biológica.

Dada la distinción en morfología, ecología, tamaño del genoma y unicidad de los genes, se ha propuesto un nombre para los virus gigantes - girus. La meta semántica y científica del nuevo nombre es enfatizar las propiedades únicas de los grandes virus de ADN, que probablemente representan una historia evolutiva única y compartida. El término virus ("veneno" para los griegos) tiene más de cien años. Desde la época en la que fue acuñada se han descubierto una gran diversidad de agentes virales con estilos de vida, fisiologías y estrategias de replicación muy divergentes. Un nombre colectivo funcionó satisfactoriamente cuando los virus se definían como agentes genéticos pequeños, relativamente sencillos y dependientes de sus huéspedes para su replicación. El término parece menos adaptable conforme la familia de grandes virus de ADN se vuelve gradualmente más visible debido al profundo análisis bioinformático de sus enormes y complejos genomas. En los últimos años, el término girus ha aparecido más frecuente en la literatura virológica.

Función ecológica

Parte de la caracterización de los nuevos actores biológicos es la consideración de su función en moldear su ambiente. Los virus gigantes no se pasaron por alto porque fueran infrecuentes, ni eran participantes marginales en sus esferas ecológicas. En los últimos años, el campo emergente de la metagenómica ha abierto una nueva ventana en la comprensión de los ecosistemas. El metagenoma de un ambiente es la suma de todos los genomas de los organismos presentes. Usando una técnica llamada muestreo en escopeta, se recoge el material medioambiental, se cortan aleatoriamente las muestras sin clasificar de ADN y se secuencian los fragmentos resultantes. Las secuencias superpuestas se alinean para reconstruir genes. Algunos genes resultantes pueden identificarse por referencia a las bases de datos genéticas, aunque muchos no. El alto número de genes no identificados encontrados en los estudios metagenómicos es un impulsor del emergente movimiento de la biodiversidad. Por medio de la metagenómica, estamos en la posición peculiar de saber que el número de especies que desconocemos es vasto.

En una sorprendente demostración del poder de la secuenciación medioambiental, Mya Breitbart, Forest Rohwer y sus compañeros demostraron en el 2002 que 200 litros de agua marina contienen 5 000 virus distintos, esencialmente todos especies desconocidas. En otro estudio, la Global Ocean Sampling Expedition tomó muestras de aguas de Nueva Escocia al Pacífico oriental durante una circumnavegación de dos años, empleando un abordaje más directo de usar secuencias conocidas de productos proteínicos, comoo fragmentos de ADN polimerasa específicos, para consultar ADN metagenómico y determinar la prevalencia de la especie. En el 86% de sitios de muestras, los familiares del Mimivirus eran las entidades más abundantes tras los bacteriófagos. Por lo tanto, los girus son abundantes en la naturaleza y está claro que hay muchos más esperando su descubrimiento.

Su fucnión en moldear el ambiente también se está aclarando. Más de la mitad de toda la fotosíntesis en la Tierra es llevada por organismos fotosintéticos, incluyendo cianobacterias y microalgas, que son referidas colectivamente como fitoplancton. Se estima que, en cualquier momento, el 20% de las células de fitoplancton está infectada por virus, incluyendo virus gigantes en cantidades desconocidas, pero claramente con una importancia cuantitativa. Básico para la ecología de los sistemas oceánicos, y esencial para el bienestar de la Tierra, son el microzooplancton que se alimenta del fitoplancton y son conocidos como pasteadores protistas. Hasta la fecha, solo se conoce un virus que infecte a un pasteador protista, el virus Cafeteria roenbergensis o CroV, un virus gigante con 730 pares de kilobases y 544 genes codificadores predichos. Interesantemente, CroV también tiene un virófago asociado.


El fitoplancton está íntimamente asociado con otro virus gigante, con consecuencias para el mar, tierra y cielo, así como la ecología de la comunidad de fitoplancton. Emiliani huxleyi es una de las algas fotosintetizadoras unicelulares más abundantes de los océanos. Las células de E. huxleyi producen pequeñas escamas de carbonato cálcico que, dada su abundancia, tiene un papel importante en el ciclo del carbono del océano. E. huxleyi aumenta su número periódicamente hasta cubrir 100 000 kilómetros cuadrados en ambos hemisferios. Un virus gigantes que infecta a E. huxleyi se llama EhV (407 pares de kilobases, 472 secuencias codificadoras predichas) es mayormente responsable de acabar con estas proliferaciones. La muerte de estas proliferaciones de E. huxeyi libera gran cantidad de materia orgánica, incluyendo lase scapas desprendidas de carbonato cálcico, que forma grandes depósitos. Un ejemplo sorprendente son los acantilados blancos de Dover.

El fin de la proliferación de E. huxleyi también provoca la liberación de un químico que es alterado por otros microorganismos, produciendo grandes cantidades de dimetilsulfuro, causa del olor que asociamos con el agua salada. Cuando el dimetilsulfuro llega a la atmósfera, induce la formación de nubes y lluvia. Por lo tanto, la infección del EhV de su huésped tiene una función en la ecología, geología y clima de su ambiente.

¿Virus gigante humano?

Las muestras de partículas de Mimivirus de la torre de refrigeración de Bradford fueron descubiertas entre bacterias con el potencial de causar pneumonía y, por lo tanto, ha habido interés en la cuestión sobre si otros Mimivirus podrían ser un patógeno humano.


A primera vista,parece improbable que un patógeno de una ameba pudiera dar un salto para infectar a un humano. Los humanos y las amebas están separados por 800 millones de aoñs de evolución, y un salto infeccioso a través de un abismo tan grande sería muy inusual en la virología. Normalmente, las infecciones víricas son muy específicas para su huésped. Esta especificidad es el resultado de la exigencia de que el virus se apropie de la maquinaria sintética de la célula huésped para replicarse. Hacerlo requiere de muchas interacciones macrocelulares específicas entre los componentes virales y del huésped en cada fase de la infección, de la entrada a la célula a la replicación vírica, que requiere el secuestro de la mayor parte de la maquinaria bioquímica y molecular de la célula, a veces junto a la inhibición de las defensas de la célula. No es sorprendente que virus tan similares, como el VIH, la causa del SIDA, y la cepa simia, el VIS, no infecten a sus objetivos primates tan relacionados.

Aún así, el Mimivirus ha desafiado las reglas típicas. Obtiene la entrada en células fagocíticas (como la ameba y posiblemente macrófagos humanos) cuando los carroñeros la engullen. Sale de la vacuola que la rodea tras ser engullida por una fusión de membrana relativamente no específica. Desde ese punto, su grna complemento de más de 1 000 genes le confieren la habilidad de secuestrar y replicar las funciones celulares más allá de la habilidad de los virus con menor dotación genética.

Hasta la fecha, hay solo una ligera evidencia de que los Mimivirus puedan infectar a humanos. Los estudios en un laboratorio canadiense insinúan que la pregunta debe permanecer abierta. Otros estudios no encuentran pruebas para la infección humana. Una revisión en 2009 propuso que el protocolo prudente es tratar el Mimivirus provisionalmente como un patógeno de clase 2, la designación para los patógenos que solo causan enfermedades leves o que es improbable que se comuniquen como aerosoles en el laboratorio.

Los virus gigantes NCLDV probablemente tengan una antigua historia evolutiva, pero están entre las cosas más nuevas en la escena para los virólogos. Debe señalarse qeu además de los miembros del grupo NCLDV, hay otros virus calificados como girus, incluyendo virus bacterianos como el Fago G y un virus llamdo virus del síndrome de la mancha blanca, que causa una enfermedad de importancia económica en los camarones cultivados. Con los esfuerzos de la investigación aún en sus primeras fases, los virus gigantes ya están produciendo beneficios científicos y económicos. Se están descubriendo nuevas enzimas que tienen valor comercial por sus funciones y también basándose en el hecho de que las enzimas virales suelen ser más pequeñas en su clase, convirtiéndolas en modelos ideales para estudios mecanísticos y estructurales. Actualmente, un obstáculos para estudiar girus es que ninguno puede ser modificado genéticamente por técnicas moleculares. Ojalá esta barrera desaparezca pronto.

Fuente: American Scientist