Por Anne M. Rosenthal

Los científicos están buscando virus en los manantiales calientes del Parque Nacional de Yellowstone, y su búsqueda está viéndose ampliamente recompensada con nuevos hallazgos intrigantes.

Estos manantiales en los que los científicos recogen las muestras alcanzan habitualmente temperaturas entre 78 y 90 grados centígrados. Es un entorno difícil para la vida, a menos, desde luego, que seas un termófilo, una forma de vida especialmente evolucionada para sobrevivir a altas temperaturas. |

Las aguas no sólo están a temperatura doble de la de un agradable baño, sino que además tienen una acidez considerablemente superior a la del nivel de supervivencia de la mayoría de los organismos acuáticos. Por lo general estos manantiales tienen un pH entre 2 y 3’5 (entre el zumo de limón y las bebidas carbonatadas); alguno de ellos llega nada menos que a un pH de 1 (aproximadamente el del ácido del estómago).

Los científicos se preguntan cómo funcionan los procesos vitales bajo esas condiciones de acidez y temperatura. A causa de su sencillez como forma de vida celular, los virus pueden ser la mejor oportunidad de obtener información relativa a la supervivencia en entornos extremos. Los virus son solamente ácido nucleico (ADN o ARN) envuelto bajo una membrana proteínica.

Parásitos a escala molecular, los virus se apropian de la maquinaria de sus células anfitrionas, y la usan para reproducirse. En consecuencia, el número de genes codificados en el ácido nucleico viral, por lo general entre 5 y 200, es relativamente bajo en comparación con los miles que son habituales en los organismos celulares. Un genoma viral codifica habitualmente sólo las subunidades de su membrana proteínica, además de algunas encimas (moléculas que facilitan las reacciones químicas como la replicación del ácido nucleico).

Mark Young, co-director del Thermal Biology Institute en Montana State University, Bozeman, y Ken Stedman, profesor ayudante de Biología en la Portland State University, presentaron los resultados de los primeros estudios sobre virus termales de Yellowstone en la Segunda Conferencia de Astrobiología Científica de Mountain View, California.

“Estamos intentando utilizar estos virus como modelos para comprender las adaptaciones bioquímicas a las altas temperaturas”, afirma Young.

Ciertos datos aportados por esta nueva investigación podrían ofrecer un indicio de cómo era la vida en los entornos extremos de la temprana historia de la Tierra, o de otros planetas en la actualidad. También podrían abrir una ventana hacia la biología de los anfitriones virales, en este caso un termófilo unicelular llamado Sulfolobus, que establece relaciones biológicas con organismos más complejos.

Es importante el hecho de que el ADN de estos virus termófilos se puede codificar para fabricar encimas previamente desconocidas que funcionan eficazmente a altas temperaturas, lo cual es una herramienta potencial para los laboratorios de biologia molecular. La misión de estos laboratorios comprende desde la elaboración de vacunas hasta la explicación de la evolución de la vida en la Tierra.

Diversidad viral
Un elemento clave en los estudios de Young, Stedman y otros es la biodiversidad viral. Los científicos están examinando las variaciones en la morfología (la estructura física) y los genomas de los virus de ambientes termales.

Como los virus sólo tienen un corto número de genes, que codifican sólo un corto número de proteínas, sus membranas deben de estar compuestas de sólo un limitado número de subunidades proteínicas. Una vez que estas subunidades son fabricadas por la célula parasitada, se autoensamblan en la membrana viral, también conocida como "cápside".

Una amplia mayoría de los aproximadamente 3.500 virus descritos pertenecen a dos morfologías generales: o tienen forma como de bastón, o son cuasi-esféricos cercanos al icosaedro. Parecido a un balón de fútbol en miniatura, el icosaedro se compone de caras de cinco lados y caras de seis lados (pentámeros y hexámeros).

Pero en el entorno de los manantiales de agua caliente, los científicos han encontrado virus con cápsides diferentes a las descubiertas con anterioridad: algunas tienen las formas tradicionales pero con estructuras infrecuentes, mientras que otras muestran morfologías completamente nuevas.

Uno de los hallazgos intrigantes es un exquisito virus icosaédrico con prolongaciones similares a propulsores. Young dice que esas estructuras parecidas a propulsores "nunca se habían visto en tipo alguno de virus".

Hay 12 de estos propulsores en cada cápside viral, que surgen de 12 pentámeros que cubren los vértices (esquinas) del icosaedro. Como los pentámeros en los que se alojan, los propulsores tienen una simetría de 5 ejes; las "aristas" que los constituyen son cinco. Las subunidades pentaméricas están rodeadas por típicos hexámeros virales que carecen de estructuras especiales.

Este virus fue aislado al principio por Stedman, y Liang Tang, miembro del grupo de Jack Johnson en el Scripps Research Institute de La Jolla, en California, determinó su estructura completa. Conjeturando acerca de estas estructuras propulsoras únicas, los científicos pensaron en las fases implicadas en la reproducción viral. En primer lugar, un virus debe er capaz de acoplarse al exerior de una célula anfitriona adecuada; luego, en segundo lugar, debe liberar su ácido nucleico en el interior de esa célula.

"Suponemos que esas estructuras tienen relación con el acoplamiento de los virus a la célula anfitriona, o con el movimiento del material genérico", dice Young. "La densidad de estas estructuras se prolonga hacia el interior, y eso sugiere que podrían tratarse de un portal para los ácidos nucleicos". Young añade que las estructuras similares a propulsores también podrían proporcionar ayuda a los virus recién replicados para salir de la célula anfitriona.

Un asunto interesante es si las estructuras son dinámicas o no. Stedman dice que una posibilidad es que las proteínas podrían cambiar su estructura o su forma. De ser así, las estructuras podrían abrirse, como una puerta. O quizá podrían servir como pestillos o llaves que abrieran de algún modo una segunda estructura del virus o de la célula anfitriona.

Los virus que tienen estructuras propulsoras, como otras interesantes formas virales descubiertas en el parque de Yellowstone, tienen como anfitrión a un organismo llamado Sulfolobus, que es miembro del reino Archaea, que contiene organismos unicelulares presentes en muchos entornos extremos. El Sulfolobus se encuentra allí donde hay actividad volcánica, en manantiales calientes situados en lugares tan lejanos como Kamchatka, Italia, Islandia y el parque nacional de Yellowstone.

El Sulfolobus, un hipertermófilo (un organismo que prefiere las temperaturas extremadamente altas), es el favorito de los investigadores de virus en fuentes termales a causa de su facilidad para ser cultivado en laboratorio. Stedman explica que "es probablemente el termófilo extremo con el que es más fácil trabajar, porque se desarrolla en presencia de aire". Añade que muchos otros termófilos extremos se envenenan con el oxígeno.

El trabajo de Yellowstone se apoya en los tempranos estudios de Wolfram Zillig, del Instituo de Bioquímica del Instituto Max Planck, en Martinsried, en Alemania, y su grupo de investigación. Su labor identificó numerosos virus en el Sulfolobus. Estos hallazgos eran tan diferentes de los virus descritos con anterioridad que los nuevos virus se situaron en cuatro familias virales nuevas.

El hallazgo de cuatro nuevas familias virales viviendo dentro de un organismo unicelular no tenía precedentes, dice Young. Antes del estudio de los virus del Sulfolobus, los aproximadamente 4.000 virus descritos se organizaban en unas 75 familias. Se habían añadido pocas familias nuevas durante quizá veinte años. Incluso las investigaciones sobre los virus encontrados en otros miembros de los Archaea, como las especies que viven en la sal y las productoras de metano, no habían necesitado nuevas familias.

En definitiva, Young y Stedman han descubierto diez nuevos virus nunca descritos con anterioridad, alojados en el Sulfolobus de Yellowstone. Entre ellos se incluye el "virus con propulsores" y una partícula similar a un virus con forma de limón con largos apéndices a cada extremo. Stedman dice que esta partícula es tan grande (de 5 a 10 veces más grande que los virus SSV de igual forma, encontrados en el Sulfolobus por el laboratorio Zillig) que puede que no sea en absoluto un virus, sino un nano-microbio que vive en el interior del mucho más grande Sulfolobus como un simbionte.

"Es notable" concluye Young, "que cada vez que buscamos en el Sulfolobus encontramos otro virus que estamos casi seguros de que va a ser todo un nuevo grupo". Con la rápida sucesión de nuevos descubrimientos, los científicos apenas comienzan a caracterizar los hallazgos.

Es de enorme importancia el carácter único del ADN secuenciado hasta ahora. Young explica que "cuando secuenciamos estos virus en nuestros laboratorios, usamos programas informáticos que investigan en todos los bancos públicos de genes del mundo. Los programas comparan miles de millones de secuencias e intentan alinear nuestra secuencia viral frente a todas las otras secuencias conocidas". Los virus termófilos de Yellowstone tienen genes que coinciden en menos de un 14 por ciento con las secuencias conocidas, "y eso significa que sus genes no están relacionados con otros genes o proteínas conocidos". Dice Young que eso probablemente refleja lo excepcional del entorno bioquímico en el que se han encontrado estos virus.

Los virus encontrados en el Sulfolobus son a-líticos: una vez que se han reproducido, se alojan en el interior de las células de Sulfolobus y salen al exterior sin destruir a su anfitrión. Su carácter a-lítico les permite permancer en el ambiente celular del Sulfolobus, lo que limita el tiempo que los virus se exponen al entorno ácido del exterior. El director del Instituto de Astrobiología de la Nasa, Baruch Blumberg, dice que "el trabajo de Young es auténticamente pionero. Hasta hoy no ha habido investigación suficiente sobre los virus en ambientes extremos. Sin embargo, ha habido suficientes estudios como para saber que los virus son extremadamente comunes, en particular los bacteriófagos de los Archaea y las bacterias".

Los virus dan pistas
El Sulfolobus es un organismo importante para su estudio porque se trata de un termófilo extremo, es decir, según explica Stedman, que crece a temperaturas extremadamente altas. Este Archaea utiliza proteínas similares a las de células más complejas, como las células humanas, en ciertos procesos bioquímicos importantes relacionados con los ácidos nucleicos. Pero las proteínas del Sulfolobus son mucho más sencillas, lo que las hace más fáciles de estudiar y las convierte posiblemente en escalones imprescindibles para comprender a proteínas similares en organismos más complejos. Stedman dice que los virus del Sulfolobus son importantes herramientas para entender la maquinaria de los Archaea termófilos que los alojan.

Es de subrayar, dice Stedman, que "se ha determinado la secuencia genómica completa (del Sulfolobus), de modo que conocemos exactamente el ADN que está presente en el organismo. Pero, advierte, "no sabemos lo que hace". En otras palabras, explica Stedman, tienen los planos pero no han estudiado todavía la mayor parte de las proteínas que codifica. Esto "se puede decir también del genoma humano, pero los planos del Sulfolobus con los que tengo que trabajar es 1.000 veces menor que los del genoma humano", dice Stedman. El menor tamaño hace de los planos del genoma del Sulfolobus un buen punto de partida; los virus que parasitan al Sulfolobus son potenciales herramientas para estudiar estos planos.

Blumberg, que ganó un premio Nobel por su trabajo sobre el virus de la hepatitis B, comenta que, como investigador de los virus durante muchas décadas, conocía "el efecto profundo que el virus de la hepatitis ejerce sobre las células del hígado. Hemos aprendido mucho sobre las células del hígado al comprender cómo trabajaba el virus".

Un método usado por Stedman para el estudio del Sulfolobus ha sido la creación de un vector lanzadera que utiliza el virus SSV1.

"Un vector lanzadera es un trozo de ADN que se puede replicar en dos organismos diferentes, en este caso en la bacteria E. coli y el Archaea Sulfolobus, y que puede servir para desplazar o "lanzar" ADN de un organismo a otro. Esto es extremadamente útil para el desarrollo de la genética molecular", explica Stedman.

"La importancia del vector lanzadera es triple. Primero, permite a los investigadores introducir genes en el Sulfolobus para estudiar cómo funcionan en la célula", dice Stedman.

"En segundo lugar," añade, "permite la depuración de grandes cantidades de ADN viral desde la E. coli, el caballo de batalla de la moderna biología molecular." En otras palabras, el vector lanzadera permite a los científicos producir el ADN de los virus que normalmente crecen en el Archaea Sulfolobus en lugar de en la E. coli.

"En tercer lugar," concluye Stedman, "proporciona mucha más flexibilidad en el estudio de los virus, pues se pueden realizar modificaciones del genoma viral en la E. coli en el laboratorio, y luego reintroducirlo en el Sulfolobus."

¿Y qué más?
Young, Stedman y sus colegas planean la búsqueda de formas adicionales de virus en el Sulfolobus y en otros Archaea termófilos en nuevos lugares de Yellowstone. Sus últimos estudios recientemente terminados han examinado virus procedentes de ocho localizaciones, una mínima fracción de las aproximadamente 10.000 fuentes termales del parque natural.

Stedman ha comenzado a tomar muestras en el parque nacional Lassen, y Young, junto con Zillig y otros, ha comenzado a buscar nuevos virus en los suelos hidrosaturados subyacentes a los lagos con agua geotérmicamente calentada y en pozos de lodo. Estos hábitats son calientes en extremo, a menudo por encima de 100ºC, y alojan organismos extremadamente termófilos, incluyendo, en los sedimentos anaeróbicos más profundos, a aquellos que viven sin oxígeno.