Extremadamente abundantes, los virus pueden haber surgido en cuatro oportunidades en el curso de la historia de la Tierra y hacen su aporte a la diversidad genética de los seres vivos
Las diversas formas de los virus: bacteriófago (1); virus del Ébola (2); nucleopoliedrovirus de Bombix mori (3); tupanvirus (4); mimivirus (5); Sars-CoV-2 (6); virus del herpes (7); myovirus (8); piryvirus (9); virus del mosaico del tabaco (10); virus influenza (11)
Graham Beards/ Wikimedia Commons | 2 Cynthia Goldsmith/ CDC | 3 Bergmann Ribeiro/ UNB | 4 Jônatas Abrahão/ UFMG | 5 Xiao, C. et al.Plos Biology. 2009 | 6 NIAID/ NIH | 7 E. L. Palmer/ CDC | 8 Sullivan, M. B. et al.Plos Biology. 2005 | 9 Fred Murphy/ CDC | 10 Wikipedia | 11 Cynthia Goldsmith/ CDC
Hace seis meses que no se habla de otro tema. Desde que se lo identificó en China, en diciembre de 2019, el nuevo coronavirus se volvió omnipresente. Se ha diseminado por los principales centros urbanos del mundo, ha infectado al menos a 6,5 millones de personas y ha dejado más de 380 mil muertos, en medio de una pandemia que espanta por su velocidad de propagación. En poco tiempo, atestó los hospitales y modificó los hábitos de la población y el funcionamiento de las ciudades. No tardó en hallárselo incluso en las regiones más remotas del planeta, desde grupos indígenas del interior de la Amazonia hasta en las alturas gélidas del Reino de Bután, en el Himalaya. No obstante, el nuevo coronavirus es tan solo uno de los cientos de miles –acaso millones– de especies de virus que se calcula que existen y que, a causa de los sistemas de transporte modernos, logran difundirse con una agilidad impensable décadas atrás. Frente a este panorama, resulta interesante o, mejor dicho, importante, conocer más acerca de lo que en realidad son los virus y cómo surgieron y se difundieron por cada sitio de la Tierra estos seres tan diminutos, compuestos básicamente por material genético y proteínas, que a veces son capaces de provocar enfermedades devastadoras.
Y un trabajo efectuado recientemente sirve de ayuda para realizar esta tarea. En un artículo que salió publicado en marzo de este año en la revista Microbiology and Molecular Biology Reviews, un grupo internacional de virólogos creó el primer sistema amplio de clasificación de los virus y, al reagrupar las especies según el grado de similitud genética, determinó que los mismos surgieron al menos en cuatro oportunidades durante los 4.600 millones de años de historia del planeta. La primera aparición habría ocurrido antes de que los primeros seres vivos formados por células asomaran en la Tierra hace por lo menos 3.500 millones de años. En las otras tres oportunidades, es probable que ya existieran formas rudimentarias de células.
En la actualidad, la definición del parentesco entre los virus a partir del grado de proximidad genética puede parecer una estrategia obvia. No obstante, hasta hace poco tiempo había dos razones que la tornaban casi inviable. El número de virus estudiados y descritos es relativamente pequeño. El Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV), el ente responsable de la denominación de los virus y de organizar el conocimiento sobre ellos, lleva catalogadas tan solo 6.590 especies. Eso es casi nada en comparación con los aproximadamente 1,2 millones de especies de organismos formados por células registrados por la ciencia, un grupo que incluye a las bacterias, arqueas, protozoarios, plantas y animales. Más allá de la cantidad exigua de especies conocidas, los virus poseen una cantidad pequeña de genes y pocos de ellos son comunes entre las diferentes especies, lo que dificulta su comparación y la determinación del parentesco entre ellas.
Esa situación empezó a cambiar en los últimos 15 años, a partir del aumento de los estudios en metagenómica, una estrategia que permite analizar el material genético recuperado de muestras ambientales y no depende del aislamiento y del cultivo de virus en laboratorio. Mediante esta técnica, los expertos han identificado cientos de miles de nuevas especies de virus, que aguardan su turno para ser descrias. “Los trabajos con metagenómica condujeron al descubrimiento de especies que llenaron muchas de las lagunas en cuanto a la diversidad de los virus, la virósfera, y permitieron elevar la confiabilidad de los estudios evolutivos”, relata el virólogo brasileño Francisco Murilo Zerbini, de la Universidad Federal de Viçosa (UFV), en Minas Gerais.
El virólogo brasileño forma parte del comité ejecutivo del ICTV y es coautor de la nueva taxonomía, ideada bajo la coordinación de uno de los más eminentes expertos en evolución de los virus, el biólogo ruso Eugene Koonin, del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI), de Estados Unidos. En ella, los especialistas reorganizaron a los virus teniendo en cuenta dos criterios: el tipo de compuesto utilizado para almacenar la información genética –la molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN)– y el nivel de similitud entre ciertos genes compartidos por la mayor cantidad posible de virus. De este modo, se estableció un andamiaje amplio, cohesionado y robusto para la clasificación de los virus, el primero desde que la existencia de esos agentes infecciosos fuera postulada por el botánico holandés Martinus Beijerinck (1851-1931), en el año 1898.
La nueva clasificación separa a los virus en cuatro grandes grupos, denominados dominios, y esos cuatro dominios se sumarían a los otros dos en los cuales están distribuidos los seres vivos formados por células. El dominio es la octava y más abarcadora de las categorías taxonómicas. En orden decreciente después de esa categoría figuran: reino, filo, clase, orden, familia, género y especie, que agrupan a los seres según un orden creciente de semejanza. Un dominio incluye al mayor número posible de especies que comparten tan solo unos pocos rasgos en común. Solo para hacerse una idea de semejante vastedad, todos los seres vivos formados por células (bacterias, arqueas, protozoarios, hongos, plantas y animales) pertenecen a dos dominios: el de los eucariotas o eucariontes, compuesto por los organismos celulares que almacenan su material genético en un compartimiento denominado núcleo, y los procariotas o procariontes, integrado por los seres con células sin núcleo. A los virus, a causa del alto grado de diversidad que presentan entre sí, hubo que separarlos en cuatro dominios, algo que de cualquier modo es un avance en comparación con los intentos previos de clasificación, cuando se intentó agruparlos según su anatomía, por el tipo de tejido por los cuales eran atraídos químicamente, o bien por el tipo de material genético.
En el sistema nuevo de clasificación, se agrupa a los virus en los dominios denominados Riboviria, Monodnaviria, Varidnaviria y Duplodnaviria. El primer grupo incluye a todos los virus que almacenan la información sobre su estructura y su funcionamiento –es decir, sus genes– en una molécula de ARN. “Muchos científicos sostienen que la vida habría surgido en un ambiente acuático en el cual las moléculas de ARN almacenaban la información genética, lo que se denominó con la expresión ‘Mundo de ARN’”, explica Zerbini. “Los virus de ARN serían descendientes de ese mundo y habrían surgido antes que los organismos celulares”.
Dentro de ese grupo se encuentran los virus de la hepatitis, del resfrío, de la gripe, del dengue, del sida y también el del covid-19, la enfermedad causada por el nuevo coronavirus, el Sars-CoV-2. El ARN, compuesto por las bases nitrogenadas adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U), suele hallarse en la naturaleza bajo la forma de una cadena simple, aunque en los virus esa cadena también puede ser doble. Es más maleable y puede desempeñar más funciones biológicas que un pariente cercano suyo: el ADN, que posee la base timina (T) en lugar del uracilo y puede ser de cadena simple o doble. El ADN funciona solamente como una especie de manual de instrucciones para producir un nuevo virus, una célula o un organismo multicelular. En tanto, el ARN puede desempeñar ese rol, pero también puede funcionar como una enzima, acelerando reacciones químicas; o como un mensajero, que traduce y transporta la fórmula para fabricar proteínas hasta las fábricas de proteínas de las células.
Los virus comprendidos en los otros tres dominios guardan la información genética bajo la forma de ADN: en una secuencia simple, como en el caso de los Monodnaviria, o en una cadena doble, al igual que en los seres formados por células, tal como ocurre con los Varidnaviria y los Duplodnaviria. Lo peculiar de estos dos últimos casos es una proteína presente en la cápside o cápsida, el envoltorio que protege al material genético.
La existencia de estos cuatro dominios les permite a los investigadores sacar una conclusión acerca de la historia evolutiva de los virus. La misma indica que cada uno de esos grupos está compuesto por especies que descienden de un ancestro común, que habría existido hace miles de millones de años. Como los dominios son cuatro, también serían cuatro los antepasados, los cuales, dadas sus muy disímiles características genéticas, habrían surgido en momentos distintos. “Los datos disponibles hasta ahora apuntan que, con base en las relaciones evolutivas, no es posible unificar a todos los virus en una sola categoría, ni tampoco inferir que haya existido un ancestro común a todos los virus”, comenta Zerbini.
El hecho de que haya habido surgimientos múltiples, por cierto, es otra de las características que diferencian a los virus de los seres compuestos por células. Los análisis de unos 350 genes comunes en todos los organismos celulares (desde la bacteria de la tuberculosis hasta los helechos; de las amebas a los gorilas de montaña) indican que todos ellos descienden de un antepasado común, un ser unicelular que existió hace entre 3.500 y 4.500 millones de años.
Los virus casi siempre figuran en un grupo aparte del de los seres vivos formados por células. Por ese motivo, algunos virólogos dicen que ellos suelen definirse a partir de la negación: no son bacterias, no son hongos, tampoco plantas y, mucho menos, animales. Pero esto no siempre fue así.
El botánico holandés Martinus Beijerinck fue el primero que empleó el término virus para denominar a un agente infeccioso, suponía que eran seres vivos. Él repitió los experimentos llevados a cabo en 1892 por el botánico ruso Dmitri Ivanovsky (1864-1920), que había filtrado un extracto de hojas de tabaco enfermas utilizando un material con poros muy estrechos, capaces de retener las menores formas de vida conocidas en aquella época (hongos y bacterias). Al igual que el ruso, Beijerinck constató que el líquido remanente era capaz de causar la enfermedad y que el agente patógeno que contenía se reproducía en células en proliferación. En el marco de una presentación que realizó en 1898 ante la Academia de Ciencias de Ámsterdam, denominó a ese líquido como fluido vivo contagioso o virus (que, en latín, significa veneno o toxina) y afirmó que contenía un agente infeccioso de naturaleza desconocida.
La caracterización posterior de esos agentes reveló que estaban compuestos por proteínas y un porcentaje pequeño de ácidos nucleicos –ARN o ADN–, los componentes de los genes. Las proteínas y ácidos nucleicos, junto a los azúcares y los lípidos, conforman los cuatro grupos de componentes químicos comunes de todos los organismos celulares. Si bien contaban con dos de ellos, durante algún tiempo se consideró a los virus como simples estructuras proteicas, lo que parece haber contribuido para afirmar que no eran seres vivos.
Un ejemplo famoso de la exclusión de los virus de la esfera de la vida es la representación del modo en que se interrelacionan los seres vivos, lo que se denominó el Árbol de la Vida, propuesto en la década de 1970 por el biólogo estadounidense Carl Woese (1928-2012), que solo incluye a los seres compuestos por células.
Expertos tales como Koonin, que consideran a los virus como seres vivos, consideran que parte de los prejuicios se basan en el hecho de que han sido estudiados durante mucho tiempo solamente fuera de las células, cuando están inertes. Un hecho incuestionable para los biólogos, quienes, por lo general, estudian a los seres compuestos por células, y también para los virólogos, indica que los organismos constituidos por células fueron las primeras formas de vida autónoma que surgieron en el planeta.
Las células son receptáculos microscópicos delimitados por una capa doble de un tipo de grasa fluida (lípidos) que contienen proteínas incrustadas. Solo las células están equipadas con los componentes necesarios como para realizar, sin ayuda externa, tres fenómenos a los cuales casi siempre está asociado el concepto de la vida: poseer capacidad de generar energía, de reproducirse y de registrar alteraciones que pueden transmitirse a las generaciones futuras, o sea, evolucionar. Los virus, independientemente de cuándo y cuántas veces hayan surgido, incluso acumulan registros de alteraciones genéticas mucho más rápido que otros organismos, pero solo obtienen energía y sintetizan nuevas copias de sí mismos si se encuentran en el interior de una célula, a la que por lo general, esclavizan. Fuera de las células, son inertes e inofensivos.
“Los virus se encuentran en la frontera entre lo vivo y lo no vivo, en el umbral donde que la química se transforma en vida”, dice el virólogo Eurico Arruda, de la Universidad de São Paulo (USP) en su campus de Ribeirão Preto. Experto en virus que causan enfermedades respiratorias, Arruda constató recientemente que el virus influenza (el que provoca la gripe) no se aloja solamente en las células que tapizan la nariz, la boca, la garganta y el árbol respiratorio. También infecta a las células del sistema de defensa presentes en las amígdalas (tonsilas) y adenoides, estructuras ubicadas en la garganta y que forman parte del sistema inmunológico, según consta en un artículo publicado este año en la revista Journal of Virology. Una vez alojado allí, el virus influenza A puede permanecer latente durante extensos períodos, pero incluso así ser capaz de causar infección. “Los virus son parásitos bioquímicos sofisticados, capaces de infiltrarse en el centro de comando de las células y utilizar el aparato celular para propagarse y evolucionar, causando efectos biológicos. Para mí, eso es vida”, define.
Por lo general, los virólogos consideran a ese tema algo inoportuno o sin importancia. El biólogo francés André Lwoff (1902-1994), uno de los creadores del ICTV y ganador del Nobel de Medicina o Fisiología de 1965 por explicar cómo insertaban los virus su material genético en el ADN de bacterias, afirmó en entrevistas que definir eso no interesaba o también, que considerarlos vivos o muertos era una cuestión de gusto. Otros son más pragmáticos. Sostienen que, cuando están dentro de las células, los virus están vivos. Y afuera de ellas son inertes. E incluso hay algunos como el biólogo francés Patrick Forterre, del Instituto Pasteur, en París, para quien el problema radicaría en la definición de lo que es vida y organismo, que debería ampliarse para describir mejor aquello que está presente en la naturaleza.
Uno de los argumentos se basa en la abundancia de los virus, que pueden encontrarse en todos los ambientes. Estudios genómicos sugieren que la cantidad de virus existentes en el planeta supera ampliamente a la del resto de los seres vivos en conjunto. Según análisis de muestras de agua marina, existen entre 3 millones y 100 millones de copias de virus en tan solo un mililitro. Si esas cifras se extrapolan para todos los océanos, se obtiene un total inimaginable de 1031 ejemplares de virus, un número 10 mil millones de veces mayor que la totalidad de las estrellas del universo. Un cálculo publicado en 2005 en la revista Nature por el virólogo Curtis Suttle, de la Universidad de Columbia Británica, en Canadá, indica que, si se los pusiera uno al lado del otro, esos virus cubrirían casi 100 veces el diámetro de la Vía Láctea, pese a ser seres submicroscópicos, pues miden de 30 a 600 nanómetros de diámetro. “Dado que infectan y en ocasiones matan a las algas microscópicas, los virus pueden reducir de un 3% a un 4% la producción de oxígeno en los océanos”, comenta el virólogo Fernando Spilki, de la Universidade Feevale, en Rio Grande do Sul. “Ellos forman parte del entramado de la vida y del funcionamiento del planeta”, explica Spilki, experto en enfermedades virales transmitidas por el agua y presidente de la Sociedad Brasileña de Virología (SBV).
Incapaces de existir por cuenta propia, los virus son huéspedes por excelencia y proliferan donde quiera que haya vida. Infectan a bacterias, arqueas, protozoarios, plantas y animales, e incluso ciertas especies de virus solo se reproducen en presencia de un virus de otra especie. Pese a de la cifra exigua catalogada por el ICTV, algunos cálculos sugieren que existen 320 mil especies de virus que pueden infectar a las células de los mamíferos.
A partir del instante en que penetran en las células, los virus toman el control con mayor o menor sutileza. Los virus de ADN suelen ser menos agresivos, tal como un huésped educado que se instala en un cuarto y hace usufructo de aquello que encuentra a su disposición. En las células de los mamíferos, por lo general, su material genético migra hasta el núcleo y, en algunos casos, se incorpora al ADN celular (vea la infografía). Pueden permanecer adormecidos durante largos períodos, o bien utilizar de inmediato la maquinaria celular para reproducir copias de su material genético y de sus proteínas.
Los virus de ARN, por su parte, cuentan con la ventaja de que no siempre necesitan invadir el núcleo. La información para replicarse ya está disponible en un lenguaje adecuado para su lectura por las herramientas de la célula que duplican el material genético y producen proteínas (vea la infografía). Sin embargo, estos suelen obligar a las células a reorganizar sus recursos. “Son como un huésped caprichoso que llega para pasar una noche y a la mañana siguiente cambió todos los muebles de lugar”, relata Zerbini, haciendo referencia a un artículo publicado en 2010 en la revista Cell por Nolwenn Jouvenet, actualmente investigadora en el Instituto Pasteur, en París, y Sanford Simon, de la Universidad Rockefeller, en Estados Unidos.
Ese modo de actuar, pese a las excepciones, ayuda a entender por qué los virus de ARN suelen provocar enfermedades más graves, tales como la poliomielitis, el sarampión, la rabia, el sida, el covid-19 o la fiebre hemorrágica causada por el virus del Ébola. A pesar de la agresividad que muestran los virus de ARN, uno de los virus más letales para la humanidad poseía ADN como material genético: el virus de la viruela, que mató a alrededor de 300 millones de personas tan solo durante el siglo pasado.
Los virus que causan enfermedades humanas son por lejos los más estudiados, aunque sean relativamente pocos (unas 250 especies). En muchas ocasiones, empero, los virus no siempre son nocivos e incluso pueden contribuir para la supervivencia del huésped o pueden utilizarse en beneficio del ser humano. En un artículo publicado en 2007 en la revista Science, el equipo científico de la bióloga estadounidense Marilyn Roossinck, por ese entonces investigadora de la Fundación Samuel Roberts Noble, describió una asociación mutuamente beneficiosa entre un virus, un hongo y una planta que viven en suelos con una temperatura de hasta 65 grados Celsius en el Parque Nacional Yellowstone, en Estados Unidos. La investigadora y su grupo hallaron en la gramínea de la especie Dichanthelium lanuginosum, el hongo Curvularia protuberata, con el cual convive en armonía. En pruebas de laboratorio, el grupo constató que el hongo y la planta eran capaces de soportar el calor a causa de una proteína de un virus que infectaba al hongo. Ese virus posibilitaba la supervivencia de los huéspedes quienes, a cambio, permitían la multiplicación controlada del hongo, en una relación que los biólogos denominan mutualismo.
Conglomerado de copias del virus de la viruela, una enfermedad que mató a unos 300 millones de personas en el mundo durante el siglo XXFred Murphy/ CDC
En otras situaciones, tan solo uno de los huéspedes se beneficia. Eso es lo que ocurre en el caso de las avispas parásitas de las familias de los bracónidos (Braconidae) e icneumónidos (Ichneumonidae). Esos insectos se reproducen depositando sus huevos en orugas, que les sirven de alimento a sus larvas. Las larvas solo sobreviven al sistema de defensa de las orugas a expensas de un virus presente en el ovario de la avispa. Cuando esta le inyecta sus huevos, infecta a la oruga con ese virus, el polidnavirus, que inhibe el funcionamiento del sistema inmunológico del huésped. “Esa interacción entre el virus y la avispa impulsó la adopción de la difusión de estos insectos como una forma de control biológico de las orugas que atacan a las plantaciones de caña de azúcar”, comenta el virólogo Bergmann Ribeiro, de la Universidad de Brasilia (UnB), experto en virus que afectan a las orugas de polillas y mariposas, los baculovirus. Desde hace algunas décadas, esos virus se pulverizan sobre los cultivos de soja como método de control de plagas.
Según sostienen los virólogos, vivos o no, los virus influyen en gran medida sobre la vida en el planeta. Uno de los motivos reside de ello en la forma en que muchos de ellos interactúan con las células de sus huéspedes: ya sea introduciendo nuevos genes, o bien colaborando para el intercambio de genes entre especies distintas, al saltar de una a otra. La secuenciación del genoma humano, por ejemplo, reveló que el 8,3% de los genes de nuestra especie tiene origen viral. Otro factor que contribuye para aumentar la diversidad radica en que los virus replican su material genético rápidamente y con menor control sobre los errores, lo que propicia la acumulación de mutaciones que pueden transmitirse a las generaciones siguientes.
Los virus son los grandes causantes de las epidemias. Tan solo en lo que va de este siglo ya hubo cinco: tres por coronavirus, una por el virus del Zika y otra por el del Ébola. Por esta razón, y debido al hecho de que son cuantiosos y muy diversos, los expertos recomiendan desde hace tiempo estar atentos a los virus. En el trabajo en cuyo marco realizaron un mapeo de los virus causantes de enfermedades en los seres humanos, que salió publicado en 2012 en la revista Philosophical Transactions of the Royal Society of London, el zoólogo Mark Woolhouse y sus colaboradores de la Universidad de Edimburgo, en Escocia, dejaron expresa una advertencia. “Parece ser inevitable que sigan surgiendo nuevos virus entre los seres humanos”, escribieron. “Por este motivo, es necesario crear un sistema eficaz de monitoreo global para nuevos virus”.
Proyectos 1. Replicación y efectos celulares de los rinovirus en tejidos linfoides (nº 18/25605-6); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Eurico de Arruda Neto (USP); Inversión R$ 182.909,72 2. Infección de tejidos linfoides por virus influenza (nº 15/25975-0); Modalidad Beca Doctoral; Becario Ítalo de Araújo Castro; Investigador responsable Eurico de Arruda Neto (USP); Inversión R$ 234.032,57
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