Las Maravillas de la Biología: Virus: Agentes Infecciosos

VIRUS

¿Cuándo fue la última vez que estuviste resfriado o con gripe? ¿Recuerdas haber sido vacunado contra la poliomielitis o el sarampión cuando eras niño? Estas enfermedades (así como el VIH-SIDA, la parotiditis o paperas y la varicela) son causadas por virus. Los virus son partículas en extremo pequeñas que se reproducen por si mismas pero no son células. En consecuencia, no son realmente organismos y no se clasifican en reino alguno. Sin embargo, desempeñan un papel significativo en las vidas de los humanos y otros organismos.

Estructura de los virus

Figura 1. Estructura de los virus

Un virus (palabra del latín que significa veneno) es una diminuta partícula infecciosa consistente en un ácido nucleico central (el material genético) envuelto en una cubierta proteínica llamada cápside (figura 1).

Algunos virus también están rodeados por una envoltura membranosa externa que contiene proteínas, lípidos, carbohidratos y vestigios de metales (Figura 2). Un virus pequeño típico, como el de la poliomielitis (poliovirus), mide unos 20 nm (nanómetros) de diámetro, que es el tamaño aproximado de un ribosoma, mientras que un virus grande como el de la viruela (poxvirus) o el nuevo SARS-Cov-2 puede llegar a medir 200 nm.

Figura 2. Virus con envoltura

A diferencia de los organismos, incluso de las bacterias más simples, los virus no tienen estructura celular y no pueden realizar actividades metabólicas de manera independiente. Carecen de los componentes necesarios para realizar la respiración celular o para sintetizar proteínas y otras moléculas, carecen de citoplasma, organelos o membrana que los aísle de su entorno.

Todas las formas de vida celulares contienen tanto ADN como ARN, pero un virus sólo contiene uno de los dos, no ambos. Los virus pueden reproducirse, pero solo dentro del complejo ambiente de las células vivas a las que infectan. En cierto sentido, los virus “cobran vida” sólo cuando infectan a una célula. Tienen suficiente información genética para obligar a la célula huésped a multiplicar el ácido nucleico viral y sintetizar los componentes de la cápside y la envoltura. La información genética contenida en un virus toma el control de los mecanismos de traducción o transcripción de la célula huésped.

Figura 3. Forma de los virus

La forma de los virus es determinada por la organización de las subunidades proteínicas que constituyen la cápside, en tal sentido los virus pueden ser esféricos, cilíndricos, cúbicos y tener formas geométricas de muchos lados (poliédricos) (Figura 3).

Los virus son considerados parásitos ya que infectan a las células y le causan daño en el proceso.

Clasificación de los virus

Los virus representan un reto taxonómico para los biólogos porque no tienen características que definen a los organismos vivos. Por esas razones, los virus no se clasifican en alguno de los tres dominios (Archeae, Eubacteria y Eukarya).

Los virus pueden clasificarse con base a su rango de huéspedes, los tipos de organismos que infectan. Se les puede referir como virus de plantas, virus de animales, virus bacteriales, etcétera. Los virus se clasifican de manera más formal en taxones de especies a órdenes. El Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV por sus siglas en inglés), un grupo de virólogos, decide los criterios específicos para clasificar y nombrar virus. Recientemente, con base en el rango de huéspedes y otras características, el ICTV clasificó los virus en 5 órdenes, 84 familias, 307 géneros y más de 2000 especies. Los nombres de las familias de virus incluyen el sufijo –viridae.

El sistema de clasificación de Baltimore clasifica los virus con base en el tipo de ácido nucleico que contienen, ya sea que el ácido nucleico sea de una sola cadena o de dos cadenas, y en como producen ARNm. Otros rasgos considerados en la clasificación viral son el tamaño y la forma del virus, la presencia de envoltura, y el método mediante el cual se transmite el virus de huésped a huésped.

Ciclos virales

Un ciclo reproductivo viral es lítico o lisogénico.

Ciclo lítico

En un ciclo lítico, el virus lisa (destruye) la célula huésped susceptible, la obliga a utilizar su maquinaria metabólica para multiplicar partículas virales. Los virus con ciclo lítico se describen como virulentos (letales).

Cinco pasos son típicos de la reproducción viral (Figura 4):

Figura 4. Ciclo lítico

1. Fijación (o absorción): El virus se une a receptores en la pared o membrana celular del huésped.

2. Penetración: el ácido nucleico del virus es inyectado a través de la membrana plasmática en el citoplasma de la célula huésped. La cápside del fago (virus que infecta a bacterias) permanece en el exterior. En contraste, muchos virus que infectan células animales entran intactos a la célula huésped.

3. Multiplicación. El genoma viral contiene toda la información necesaria para producir nuevos virus. Una vez dentro, el virus induce a la célula huésped a sintetizar los componentes necesarios para su multiplicación.

4. Ensamblaje. Los componentes virales recién sintetizados se ensamblan para formar nuevos virus.

5. Liberación. Los virus ensamblados se liberan de la célula huésped. Esta suele ser destruida por enzimas líticas.

Los nuevos virus infectan otras células, y el proceso vuelve a empezar. El tiempo necesario para la multiplicación viral, desde la fijación a la bacteria (o célula) hasta la liberación de los nuevos virus, es de alrededor de 30 a 35 minutos.

Ciclo lisogénico.

Los virus templados no siempre destruyen a sus huéspedes. En un ciclo lisogénico, el genoma viral se integra al ADN de la bacteria huésped y se duplica con él (figura 5).

Figura 5. Ciclo lisogénico

En el caso de algunos virus bacterianos, el ADN del fago se integra al ADN bacteriano huésped, y es entonces cuando se denomina profago (provirus). Las células que contienen profagos (células lisogénicas), en lugar de perder de inmediato el control, continúan realizando sus funciones normales durante algún tiempo. A medida que la célula huésped se reproduce, los profagos que contiene se duplican junto con el ADN del huésped. Un profago puede causar algunos cambios fenotípicos en su huésped, pues el ADN viral se transcribe y traduce para producir proteínas junto con los genes del huésped. El profago también evita que otros virus entren y destruyan al huésped. Cuando una célula que contiene un profago se expone a factores ambientales como rayos UV, rayos o ciertos compuestos químicos, el profago es estimulado para volverse activo. El ADN viral toma el control de la célula. Se producen nuevos virus, la célula huésped sufre lisis y los nuevos virus se liberan e invaden otras células. Se dice que las células que contienen profagos son lisogénicas, en otras palabras son propensas a la lisis.

Los virus tienen huéspedes específicos

Cada virus se especializa en atacar células huésped específicas. Hasta donde se sabe, ningún organismo es inmune a todos los virus, incluso las bacterias sucumben victimas de invasores virales, llamados bacteriófagos. Los bacteriófagos pronto se consideraran importantes para tratar enfermedades provocadas por bacterias, dado que muchas bacterias causantes de enfermedades se han vuelto cada vez más resistentes a los antibióticos. Los tratamientos basados en bacteriófagos también podrían tomar ventaja de la especificidad de los virus, al atacar sólo bacterias específicas y no a las muchas otras bacterias en el cuerpo que son inofensivas o benéficas.

En los organismos multicelulares, como plantas y animales, distintos virus se especializan en atacar tipos particulares de células. Los virus que provocan el resfriado común, por ejemplo, atacan membranas de las vías respiratorias. Un tipo de virus de herpes se especializa en las membranas mucosas de la boca y los labios, y produce fuegos labiales; mientras que un segundo tipo produce úlceras similares en o cerca de los genitales. Los virus del herpes se establecen de forma permanente en el cuerpo y brotan periódicamente (por lo general en momentos de estrés) como úlceras infecciosas. La devastadora enfermedad llamada SIDA (Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida), que inutiliza el sistema inmunitario del organismo, es causada por un virus que ataca un tipo específico de leucocitos que controlan la respuesta inmunitaria del cuerpo. Los virus también se han vinculado con ciertos tipos de cánceres, como la leucemia de células T (un cáncer de los leucocitos), el del hígado y el cervical.

Los virus causan severas enfermedades en plantas

Los virus causan muchas enfermedades importantes en plantas y son responsables de miles de millones de dólares en pérdidas agrícolas y menor calidad de los cultivos en todo el mundo cada año. Los cultivos infectados casi siempre producen cosechas más pobres.

Figura 6. Virus que infecta a plantas

Por lo general, las infecciones virales no matan a las plantas, sino que evitan su crecimiento, producen cambios en la forma del follaje y pueden generar manchas, rayas o patrones moteados en hojas, flores o frutos (Figura 6). La mayoría de los virus de las plantas tienen cápsides, pero no poseen envolturas. El genoma de la mayoría de los virus de las plantas consiste de ARN de una sola cadena.

Los insectos son importantes vectores en las enfermedades vegetales. Mientras se alimentan de los tejidos vegetales, áfidos, saltamontes y muchos otros insectos dispersan enfermedades virales entre las plantas. Debido a las gruesas paredes celulares de las plantas, los virus no pueden penetrar las células vegetales a menos que estén dañadas. Los virus de las plantas también se pueden transmitir de una generación a la siguiente mediante semillas infectadas o por propagación asexual. Una vez infectada la planta, el virus se dispersa a lo largo de su cuerpo al pasar a través de los plasmodesmos (conexiones citoplasmáticas) que penetran las paredes de células adyacentes.

No hay curas conocidas para la mayoría de las enfermedades virales de las plantas, de modo que las plantas infectadas por lo general se queman. Muchos científicos agrícolas enfocan sus esfuerzos en la prevención de enfermedades virales al desarrollar cepas resistentes a virus de plantas de cultivo importantes.

Los virus causan enfermedades severas en animales

Cientos de diferentes virus infectan animales, incluido los humanos. Los virus animales causan peste porcina, fiebre aftosa, moquillo, influenza y ciertos tipos de cáncer (como leucemia felina y el cáncer cervical). Los virus causan varicela, herpes simplex, parotiditis, rubeola, sarampión, rabia, verrugas, mononucleosis infecciosa, influenza, hepatitis viral, SIDA y el actual COVID-19. La mayoría de los humanos sufren de dos a seis infecciones virales cada año, incluido el resfriado común.

La epidemia de influenza H1N1 en 2009 se contuvo por la rápida acción de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los centros para el Control y Prevención de Enfermedades (CDC por sus siglas en ingles) de Estados Unidos, y otras agencias de salud pública en todo el mundo. El sondeo cuidadoso y la voluntad de los países para compartir información ayudaron a minimizar la dispersión de esta pandemia. A toda velocidad se desarrollaron vacunas y protocolos de tratamiento efectivos.

La actividad humana, incluidos factores sociales como urbanización, viajes globales y guerras, contribuye a la distribución y expansión de enfermedades infecciosas. Las condiciones de vida, incluida saneamiento, nutrición, estrés físico, nivel de atención a la salud y prácticas sexuales, son factores importantes en la dispersión de las enfermedades. Incluso con el nivel de conocimiento actual acerca de los virus y la epidemiología, ¿Cuán preparada está la humanidad para contener un virus particularmente virulento como el actual SARS-Cov-2? ¿Qué tan bien se contiene el SARS-Cov-2, que sigue infectando y matando a miles de personas en todo el mundo?

Desde los ataques terroristas a Estados Unidos el 11 de septiembre de 2001, el bioterrorismo se ha convertido en una gran preocupación mundial. El bioterrorismo es el uso intencional de microorganismos o toxinas derivadas de organismos vivientes para causar muerte o enfermedad en humanos, animales o plantas de las que depende la gente. Los terroristas podrían concebir iniciar epidemias de viruela, ántrax, peste y otras enfermedades potencialmente mortales. ¿Estaremos en presencia de un acto de bioterrorismo con el uso del SARS-Cov-2 causante de la enfermedad COVID-19?

La búsqueda de tratamientos y vacunas efectivos para dichas enfermedades adquirió nueva relevancia.

Las infecciones virales son difíciles de combatir

Puesto que los virus están estrechamente ligados a la maquinaria celular de su huésped, es muy difícil tratar las enfermedades que ocasionan, ya que los antibióticos, que usualmente son efectivos contra muchas infecciones bacterianas, resultan inútiles contra los virus. Además, agentes antivirales pueden destruir tanto células huésped como virus. Sin embargo, a pesar de la dificultad de atacar a los virus que “se esconden” dentro de las células, se han desarrollado algunos medicamentos antivirales. Muchos de estos medicamentos destruyen o bloquean la función de las enzimas que los virus que se desea combatir requieren replicarse.

Por desgracia, la mayoría de los medicamentos antivirales proporcionan beneficios limitados debido a que muchos virus rápidamente desarrollan resistencia a ellos. Las altas tasas de mutación entre los virus se deben en parte a que muchos virus carecen de mecanismos para corregir los errores ocurridos durante la replicación del material genético. Por lo tanto, es común que, cuando se ataca una población de virus con un antiviral, surja una mutación que les confiera resistencia al medicamento. Los virus resistentes prosperan y se replican en grandes cantidades, transmitiéndose a nuevos huéspedes humanos. Finalmente, los virus resistentes predominan, y el medicamento antiviral que antes resultaba eficaz se vuelve inútil.

¿Es posible que los virus hayan escapado de células?

¿De dónde vienen los virus? El origen de los virus es incierto. Algunos científicos consideran que la enorme variedad de mecanismos de autorreplicación que se da entre estas partículas refleja su condición de vestigios evolutivos de las etapas más antiguas de la historia de la vida, antes que la evolución se estableciera a partir de moléculas grandes y de doble hebra de ADN tal y como la conocemos hoy. La otra posibilidad es que los virus sean descendientes degenerados de células parasitarias (Hipótesis del origen celular), esta hipótesis plantea que los virus son fragmentos de ácido nucleico que “escaparon” de organismos celulares. Según este punto de vista, el origen de algunos virus puede remontarse a células animales, el de otros, a células vegetales, y el de otros más, a células bacterianas. Sus múltiples orígenes podrían explicar por qué los virus son específicos de especie, quizá sólo infectan aquellas especies muy relacionadas con los organismos de los que se originaron. Esta hipótesis es respaldada por la similitud genética entre un virus y su célula huésped, una similitud entre un virus y otro.

De acuerdo con la hipótesis de coevolución, los virus aparecieron temprano en la historia de la vida, incluso antes de que divergieran los tres dominios. La evidencia para esta hipótesis proviene de las semejanzas encontradas en las estructuras proteínicas de algunos cápsides virales y de similitudes genéticas entre algunos virus que infectan arqueas y algunos que infectan bacterias. Los biólogos moleculares que estudian esta hipótesis consideran improbable que estas semejanzas evolucionaran de manera independiente.

De acuerdo con la hipótesis regresiva, los virus evolucionaron a partir de pequeñas células independientes que parasitaban células más grandes. Los genes que no necesitaban, como los de la síntesis de proteínas, se perdieron gradualmente mediante evolución. La hipótesis regresiva es apoyada por ciertas bacterias (clamidia y rickettsia) ya que son capaces de reproducirse solamente dentro de células huésped.

Cualquiera que haya sido el origen de estas partículas infecciosa y como siguen evolucionando, su éxito plantea un desafío permanente a los seres vivos.

A continuacion se muestra una Red CTS en la que se detallan los aspectos científicos, tecnológicos y sociales que están inmersos en el SARS-Cov-2 y en su enfermedad COVID-19.

Coronavirus SARS-Cov-2