Introducción a los virus
Un virus es un agente infeccioso que se reproduce por cuando uno vaga dentro de las células de huéspedes vivientes. Cuando una célula es infectada por un virus, es obligada a fabricar miles de virus idénticos. Los virus se reproducen a un ritmo muy alto, pero no son capaces de hacerlo por sí solos; su reproducción es totalmente dependiente de la presencia de una célula huésped. A diferencia de la mayoría de seres vivos, los virus no tienen células que se dividen; los nuevos virus son asemejados dentro de la célula huésped infectada.
Un virus se compone de dos o tres partes: todos los virus tienen genes hechos o bien de ADN o bien de ARN, moléculas largas portadoras de información genética; todos tienen una capa proteínica que protege estos genes y algunos tienen un envoltorio de grasa que los rodea cuando no se encuentran dentro de una célula. Los virus varían en forma, desde una forma helicoidal o icosaédrica hasta estructuras más complejas. Los virus son unas cien veces más pequeños que las bacterias, y habría que poner entre 30.000 y 750.000 (dependiente de la medida) uno junto al otro para cubrir un centímetro.
Los virus se esparcen de muchas maneras diferentes. Los virus que afectan las plantas son esparcidos por insectos y otros organismos, conocidos como vectores. Algunos virus son esparcidos por insectos chupones de sangre. Cada tipo de virus tiene un método diferente. Mientras que virus como por ejemplo la gripe se esparcen por los aires a través de los estornudos y la tos, mientras que otras como por ejemplo los norovirus son transmitidos por vía fecal-oral, o manos, alimentos y agua contaminados. Los rotavirus se esparcen a menudo por contacto directo con niños infectados. El VIH es uno de varios virus importantes que se transmiten durante el acto sexual. El origen de los virus todavía es incierto; algunos podrían haber evolucionado a partir de plasmidios (fragmentos de ADN que se mueven entre células), mientras que otros podrían haber evolucionado de bacterias.
Las infecciones víricas causan a menudo enfermedades en los humanos y los animales; suelen ser completamente eliminados por el sistema inmunitario, cosa que confiere inmunidad ante este virus al huésped. Los antibióticos no tienen efecto sobre los virus, pero se han desarrollado medicamentos antivíricos para combatir infecciones potencialmente letales. Las vacunas que ofrecen una inmunidad permanente pueden prevenir algunas infecciones víricas.
Orígenes
Los virus se encuentran en cualquier lugar donde haya vida, y probablemente han existido desde la aparición de las primeras células. El origen de los virus es incierto puesto que no forman fósiles, de forma que las técnicas moleculares han sido el medio más útil para investigar sus orígenes. Aun así, estas técnicas necesitan que haya disponible ADN o ARN vírico antiguo pero, desgraciadamente, la mayoría de virus preservados y almacenados a los laboratorios tienen menos de noventa años.[1][2] Los métodos moleculares solo han tenido éxito a la hora de averiguar la ascendencia de virus que evolucionaron en el siglo XX.[3]
Hay tres teorías principales sobre el origen de los virus:[4][5]
- Teoría de la regresión: Es posible que los virus hubieran sido pequeñas células que parasitaban células más grandes. A lo largo del tiempo, los genes que no necesitaban por su parasitismo desaparecieron. Las bacterias Rickettsia y Chlamydia son células vivientes que, como los virus, solo pueden reproducirse dentro de células huéspedes. El ejemplo de estas bacterias parece apoyar a esta teoría, puesto que es probable que su dependencia del parasitismo haya causado la pérdida de los genes que los permitían sobrevivir fuera de una célula.[6]
- Teoría del origen celular: Algunos virus podrían haber evolucionado de fragmentos de ADN o ARN que "se escaparon" de los genes de un organismo más grande. El ADN fugitivo podría haber provenido de plasmidios (fragmentos de ADN que pueden moverse entre células), mientras que otras podrían haber provenido de bacterias.[7]
- Teoría de la coevolución: Los virus podrían haber evolucionado de moléculas complejas de proteínas y ADN al mismo tiempo en que las células aparecieron en la Tierra, y habrían sido dependientes de la vida celular durante muchos millones de años.
Descubrimiento
En 1884, el microbiólogo francés Charles Chamberland inventó un filtro (conocido actualmente como filtro Chamberland o filtro Chamberland-Pasteur) que tiene poro de medida inferior a la de una bacteria. Así pues, podía hacer pasar por el filtro una solución con bacterias y eliminarlos completamente de la solución.[8] El biólogo ruso Dimitri Ivanovski utilizó este filtro para estudiar el que actualmente se conoce como virus del mosaico del tabaco. Sus experimentos demostraron que los extractos de hojas molidas de plantas de tabaco infectadas todavía eran infecciosos después de filtrarlos.
Al mismo tiempo, varios otros científicos demostraron que, a pesar de que estos agentes (posteriormente llamados "virus") eran diferentes de las bacterias, también podían causar enfermedades, y que eran unas cien veces más pequeños que las bacterias. El término "virus" fue utilizado por primera vez por el microbiólogo neerlandés Martinus Beijerinck, que utilizó las palabras contagium vivum fluidum para decir "germen viviente soluble".[9] A principios del siglo XX, el bacteriólogo inglés Frederick Twort descubrió virus que infectan bacterias, y el microbiólogo francocanadiense Félix de Hérelle describió un virus que, cuando se añadía a bacterias cultivadas en agar, causaban la formación de zonas enteras de bacterias muertas.[10] Contando el número de zonas muertas, De Hérelle podía calcular el número de virus que había en la suspensión.[11]
Con la invención del microscopio electrónico el 1931 por los ingenieros alemanes Ernst Ruska y Max Knoll, se obtuvieron las primeras imágenes de virus.[12] El 1935, el bioquímico y virólogo estadounidense Wendell Meredith Stanley examinó el virus del mosaico del tabaco y descubrió que se componía principalmente de proteína.[13] Poco tiempo después, el virus fue separado en una parte de ARN y otra de proteína.[14] Un problema por los primeros científicos que estudiaron los virus es que no sabían como cultivar sin utilizar animales vivos. La solución fue encontrada el 1931, cuando el patólogo estadounidense Ernest William Goodpasture consiguió cultivar el virus de la gripe y algunos otros virus en huevos de gallina fertilizados.[15] Algunos virus no podían ser cultivados en huevos de gallina, pero este problema fue resuelto el 1949 cuando John Franklin Enders, Thomas Huckle Weller y Frederick Chapman Robbins consiguieron cultivar poliovirus en cultivos de células animales vivientes.[16] Se han descubierto más de 2.000 especies de virus.[17]
Estructura
Una partícula vírica, conocida como virión, consiste de genes hechos de ADN o ARN que están rodeados por una capa protectora de proteína, denominada cápsida.[18] La cápsida se compone de muchas moléculas proteínicas idénticas, más pequeñas, denominadas capsómeros. La configuración de los capsómeros puede ser icosaédrico (con veinte lados), helicoidal, o más compleja. Existe una carcasa interior que rodea el ADN o ARN, llamada nucleocápsida, que se compone de proteínas. Algunos virus están rodeados por una burbuja de lípidos (grasa) que recibe el nombre de envoltorio.
Medida
Los virus son de los agentes infecciosos más pequeños, y la mayoría de ellos solo son visibles bajo el microscopio electrónico. La mayoría de virus no son visibles bajo el microscopio óptico (en otras palabras, son submicroscópicos); su medida va de 200 a 300 nm. Son tan pequeños que habría que poner entre 30.000 y 750.000 de lado para cubrir un centímetro.[18]
Genes
Los genes se componen de ADN (ácido desoxirribonucleico) y, en muchos virus, ARN (ácido ribonucleico). La información biológica que contiene un organismo está codificada en su ADN o ARN. La mayoría de organismos utilizan el ADN, pero muchos virus tienen el ARN como material genético. El ADN o ARN de los virus puede ser o bien monocatenario (cadena sencilla) o bien bicatenario (cadena doble).[19]
Los virus se reproducen rápidamente porque tienen pocos genes, en comparación con los humanos, que tienen 20.000-25.000.[20] Por ejemplo, el virus de la gripe solo tiene ocho genes, y los rotavirus tienen once. Estos genes codifican las proteínas estructurales que forman la partícula vírica, o proteínas no estructurales, que solo se encuentran en células infectadas por el virus.[21]
Todas las células, así como muchos virus, producen proteínas que son enzimas llamadas ADN polimerasa y ARN polimerasa, y que producen nuevas copias de ADN y ARN. Las enzimas de polimerasa de un virus suelen ser mucho más eficaces a la hora de producir ADN y ARN que los de la célula huésped.[22] Aun así, las enzimas de ARN polimerasa a menudo cometen errores, y esta es una de las razones por las cuales los virus de ARN mutan a menudo para formar nuevos troncos.[23]
En algunas especies de virus de ARN, los genes no se encuentran en una molécula continua de ARN, sino que están separados. El virus de la gripe, por ejemplo, tiene ocho genes diferentes compuestos de ARN. Cuando dos troncos diferentes de virus de la gripe infectan la misma célula, sus genes se pueden mezclar y formar nuevos troncos del virus en un proceso llamado reassortment.[24]
Síntesis de proteínas
Las proteínas son esenciales por la vida. Las células producen nuevas moléculas proteínicas a partir de aminoácidos, basándose en la información codificada por el ADN. Cada tipo de proteína es una especialista que lleva a cabo una única función, de forma que si una célula tiene que hacer algo nuevo, necesita crear una nueva proteína. Los virus obligan la célula a producir nuevas proteínas que no necesita, pero que los virus requieren para reproducirse. La síntesis de proteínas consiste básicamente en dos grandes fases: la transcripción y la traducción.
La transcripción es el proceso en que se utiliza la información contenida dentro del ADN, denominada código genético, para producir copias de ARN denominadas ARN mensajero (ARNm o mRNA). Estas copias migran por la célula y traen el código a los ribosomas, donde es utilizado para producir proteínas. Esto recibe el nombre de traducción porque la estructura aminoàcida de una proteína viene determinada por el código del ARNm.
Algunos genes de ARN de los virus funcionan directamente como ARNm sin necesidad de modificaciones. Por este motivo, se los denomina virus de ARN de sentido positivo.[25] En otros virus de ARN, el ARN es una copia complementaria de la ARNm, y estos virus confían en las enzimas de las células, o en sus propias enzimas, para producir ARNm. Reciben el nombre de virus de ARN de sentido negativo. En los virus compuestos de ADN, el método de producción de la ARNm es parecida al de las células. Las especies conocidas como retrovirus se comportan de una manera totalmente diferente; tienen ARN, pero dentro de la célula huésped se produce una copia desoxirribonucleica de su ARN. Este ADN es posteriormente incorporado al del huésped, y es transcrito en ARNm por los métodos habituales de la célula.[26]
Ciclo biológico
Cuando un virus infecta una célula la obliga a producir miles de virus adicionales. Para conseguir esto, el virus hace que la célula copie su ADN o ARN, creando proteínas víricas, que se unen para formar nuevas partículas víricas.[27]
Hay seis fases básicas que se suceden en el ciclo biológico de los virus dentro de una célula viviente:[28]
- La adhesión es la unión del virus con moléculas específicas de la superficie celular. Esta especificidad limita el virus a un tipo muy restringido de célula. Por ejemplo, el virus de inmunodeficiencia humana (VIH) solo infecta células T humanas, puesto que su proteína de superficie, gp120, solo puede reaccionar con CD4 y otras moléculas de la superficie de la célula T. Los virus de las plantas solo pueden adherirse a células vegetales, y no pueden infectar animales. Este mecanismo ha evolucionado para favorecer los virus que solo infectan las células en que pueden reproducirse.
- La penetración sigue a la adhesión; los virus se introducen dentro de la célula huésped por medio de la endocitosis o de una fusión con la célula.
- El descapsulamiento tiene lugar dentro de la célula, cuando la cápsida vírica es expelida y destruida por las enzimas del virus o del huésped, dejando expuesto el ácido nucleico del virus.
- La replicación de las partículas víricas es la fase en que una célula utiliza ARN mensajero del virus en su síntesis de proteínas para producir proteínas víricas. La función sintetitzadora de ARN o ADN de la célula produce el ADN o el ARN del virus.
- La maduración tiene lugar dentro de la célula, cuando las proteínas víricas y los ácidos nucleicos acabados de crear se combinan para formar centenares de nuevas partículas víricas.
- La liberación tiene lugar cuando los nuevos virus se escapan o son liberados de la célula. Muchos virus lo consiguen haciendo reventar la célula, un proceso llamado lisis. Otros virus como por ejemplo el VIH son liberados de una manera más delicada, por medio de un proceso denominado gemación.
Los virus y las enfermedades
Algunas enfermedades humanas causadas por virus incluyen el resfriado, la gripe, la varicela y el herpes. Algunas enfermedades graves como por ejemplo el Ebola, el sida o las variedades graves de la gripe también son provocadas por virus. Muchos virus causan pocos o ningún problema, en cuyo caso se dice que son "benignos". Los virus más nocivos son descritos como virulentos. Los virus causan diferentes enfermedades según el tipo de células que infecten. Algunos virus pueden causar infecciones permanentes o crónicas si consiguen continuar reproduciéndose dentro del cuerpo a pesar de los mecanismos de defensa del huésped.[29] Esto es habitual en infecciones de hepatitis B y hepatitis C. Una persona infectada crónicamente con un virus es denominada "portadora". Sirven como importantes reservorios del virus. Si hay una alta proporción de portadores en una determinada población se dice que la enfermedad es endémica.[30]
Hay muchas maneras en que los virus se pueden esparcir de un huésped a otro, pero cada especie de virus solo utiliza una o dos. Muchos de los virus que infectan las plantas son transmitidos por organismos que reciben el nombre de vectores. Algunos de los virus que infectan los animales y los humanos también son transmitidos por vectores, habitualmente insectos chupones de sangre. Aun así es más habitual la transmisión directa de animal a animal, persona a persona o animal a persona. Algunas infecciones víricas (norovirus y rotavirus) son dispersiones por agua y alimentos contaminados, manos contaminadas u objetos comunes, o por el contacto íntimo con otra persona infectada.[31] Otras infecciones víricas se transmiten por los aires (virus de la gripe).[32] Virus como por ejemplo el VIH, la hepatitis B y la hepatitis C son transmitidos a menudo por sexo sin protección o agujas hipodérmicas contaminadas. Es importante saber como se esparce cada tipo de virus para evitar infecciones y epidemias.[33][34][35]
Virus de las plantas
Hay muchos tipos de virus de las plantas, pero a menudo solo causan una bajada de la producción, y no es económicamente rentable intentar controlarlos. Los virus de las plantas a menudo son transmitidos de una planta a la otra por organismos, que reciben el nombre de vectores. Estos vectores son generalmente insectos, pero se ha demostrado que algunos hongos, nematodos y organismos unicelulares también son vectores. Cuando se considera que es económicamente rentable controlar las infecciones víricas de las plantas (por ejemplo, en el caso de los frutos perennes), los esfuerzos se concentran en matar los vectores y eliminar huéspedes alternativos como por ejemplo malas hierbas.[36] Los virus de las plantas son inofensivos para los humanos y otros animales, puesto que solo pueden reproducirse en células vegetales vivientes.[37]
Bacteriófagos
Los bacteriófagos son virus que infectan bacterias. Hay más de 5.100 tipo. Son importantes en la ecología marina; cuando las bacterias infectadas revientan, liberan compuestos de carbono al ambiente, cosa que estimula un nuevo crecimiento orgánico. Los bacteriófagos son útiles en la investigación científica, puesto que son inofensivos para los humanos y son fáciles de estudiar. Estos virus pueden representar un problema en industrias que producen alimentos y medicamentos por fermentación, que dependen de bacterias beneficiosas. Algunas infecciones bacterianas están resultando difíciles de controlar por medio de antibióticos, de forma que hay un interés creciente en el uso de bacteriófagos para el tratamiento de infecciones en humanos.[38]
Resistencia del huésped
Inmunidad innata de los animales
Los animales, incluyendo los humanos, tienen muchas defensas naturales ante los virus. Algunas son no específicas y ofrecen protección contra muchos virus, sin importar el tipo. Esta inmunidad innata no mejora con una exposición repetida a los virus ni tampoco conserva un "recuerdo" de la infección. La piel de los animales, especialmente su superficie, compuesta de células muertas, evita que muchos tipos de virus puedan infectar el huésped. La acidez de los contenidos estomacales mata muchos virus que han sido ingeridos. Cuando un virus supera estas barreras y entra dentro del huésped, otros defensas innatas evitan que la infección se extienda por el cuerpo. El cuerpo produce una hormona especial llamada interferón cuando hay virus presentes, y esto evita que los virus se reproduzcan, matando la célula infectada y sus vecinas más cercanas. Dentro de las células hay enzimas que destruyen el ARN de los virus. Esto se denomina interferencia del ARN. Algunas células de la sangre rodean y destruyen otras células infectadas por virus.[39]
Inmunidad adaptativa
La inmunidad específica a los virus se desarrolla a lo largo del tiempo, y unas células blancas de la sangre llamadas linfocitos tienen un papel clave. Estas células conservan un "recuerdo" de las infecciones víricas, y producen muchas moléculas llamadas anticuerpos, que se enganchan a los virus y evitan que se adhieran a las células. Estos anticuerpos son altamente selectivos y solo matan un tipo de virus. El cuerpo produce muchos anticuerpos diferentes, y cada tipo es específico de un tipo de virus determinado. Durante la infección inicial, el cuerpo produce grandes cantidades de estos anticuerpos, pero después de la remisión de la infección, todavía quedan algunos anticuerpos que continúan siendo producidos y protegiendo al huésped. Esta protección suele ser permanente.[40]
Resistencia de las plantas
Las plantas tienen mecanismos de defensa contra los virus elaborados y eficaces. Uno de los más eficaces es la presencia de los denominados genes (R) de resistencia. Cada gen R proporciona resistencia a un virus determinado provocando la muerte de células en una zona limitada alrededor de la célula infectada, cosa que se puede ver a menudo a primera vista en forma de grandes manchas. Esto impide la expansión de la infección.[41] La interferencia de ARN también es un método defensivo eficaz en las plantas.[42] Cuando están infectadas, las plantas producen a menudo desinfectantes naturales que eliminan los virus, como por ejemplo el ácido salicílico, óxido nítrico y moléculas reactivas de oxígeno.[43]
Resistencia a los bacteriófagos
La defensa principal de las bacterias para defenderse de los bacteriófagos es la producción de enzimas que destruyen el ADN ajeno. Estas enzimas, llamadas enzimas de restricción, fragmentan el ADN vírico que los bacteriofagos inyectan en las células bacteriales.
Prevención y tratamiento de enfermedades víricas en humanos y otros animales
Vacunación
La vacunación es una manera de prevenir las enfermedades causadas por virus. Las vacunas simulan una infección natural y la respuesta inmunitaria correspondiente, pero no causan la enfermedad. Su uso ha resultado en una disminución dramática de las enfermedades y las muertes provocadas por infecciones como por ejemplo la poliomielitis, el sarampión, la parotiditis y la rubeola.[44] Existen vacunas contra más de trece infecciones víricas en los humanos y todavía más que se utilizan para prevenir infecciones víricas de los animales.[45][46] Las vacunas consisten o bien de virus vivos o bien de virus muertos.[47] Las vacunas con virus vivos contienen formas debilitadas del virus, pero pueden resultar peligrosas cuando se las administra a personas con un sistema inmunitario débil. En estas personas, el virus debilitado puede provocar igualmente la enfermedad.[48] Se utilizan técnicas de biotecnología e ingeniería genética para producir vacunas "de diseño" que solo contienen las proteínas de la cápsida del virus. La vacuna de la hepatitis B es un ejemplo.[49] Estas vacunas son más seguras, puesto que no pueden causar nunca la enfermedad.[50]
Antivíricos
A lo largo de los últimos veinte años, el desarrollo de antivírics ha aumentado rápidamente, impulsado principalmente por la epidemia del sida. Los antivíricos son a menudo análogos de nucleósidos, que son moléculas muy similares, pero no idénticas, a las piezas básicas del ADN. Cuando empieza la replicación del ADN vírico, se incorporan estas piezas falsas. Cuando esto pasa, la replicación se acaba antes de tiempo – las piezas falsas carecen de las características esenciales que permiten añadir más piezas. Entonces, se para la producción de ADN, y el virus ya no se puede reproducir.[51] son ejemplos el aciclovir, por las infecciones de virus del herpes y lamivudina, por las infecciones de VIH y de virus de la hepatitis B. El aciclovir es uno de los antivíricos más antiguos y uno de los que a menudo se prescriben.[52]
Otros antivírics atacan fases diferentes del ciclo biológico de los virus. El VIH depende de una enzima llamada VIH-1 proteasa para volverse infeccioso. Hay un tipo de medicamentos llamados inhibidores de proteasa, que se unen a esta enzima y detienen su funcionamiento.[53]
La hepatitis C es provocada por un virus de ARN. En el 80% de los infectados, la enfermedad se vuelve crónica, y permanecen infecciosos durante el resto de su vida a menos que reciban tratamiento. Existe un tratamiento eficaz que utiliza el análogo de nucleósido ribavirina en combinación con el interferón.[54] Se está desarrollando un tratamiento para los portadores del virus de la hepatitis B por medio de una estrategia similar con lamivudina.[55] En ambas enfermedades, la ribavirina para la reproducción del virus y el interferón elimina cualquier célula infectada que quede.
Las infecciones de VIH son habitualmente tratadas con una combinación de antivíricos, cada uno de los cuales ataca una fase diferente del ciclo biológico del virus. Hay medicamentos que evitan que el virus se adhiera a las células, otras que son análogos de nucleósidos, y otros que envenenan las enzimas que el virus necesita para reproducirse.[53] El éxito de estos medicamentos es una prueba de la importancia que tiene saber como se reproducen los virus.
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