Virología

La virología es el estudio científico de los virus (organismos parásitos submicroscópicos de material genético contenido en una cubierta proteica) y agentes similares a virus. Se centra en los siguientes aspectos de los virus: su estructura, clasificación y evolución, sus formas de infectar y explotar las células huésped para la reproducción, su interacción con la fisiología e inmunidad del organismo huésped, las enfermedades que causan, las técnicas para aislarlos y cultivarlos, y su uso en investigación y terapia. La virología es un subcampo de la microbiología.

La identificación del agente causante de la enfermedad del mosaico del tabaco (TMV) como un nuevo patógeno por Martinus Beijerinck (1898) ahora se reconoce como el comienzo oficial del campo de la virología como una disciplina distinta de la bacteriología. Se dio cuenta de que la fuente no era una infección bacteriana ni fúngica, sino algo completamente diferente. Beijerinck usó la palabra 'virus' para describir al misterioso agente en su 'contagium vivum fluidum' ('fluido vivo contagioso'). Rosalind Franklin propuso la estructura completa del virus del mosaico del tabaco en 1955.

Estructura y clasificación del virus

Una rama importante de la virología es la clasificación de virus. Los virus se pueden clasificar según la célula huésped que infectan: virus animales, virus vegetales, virus fúngicos y bacteriófagos (virus que infectan bacterias, que incluyen los virus más complejos). Otra clasificación utiliza la forma geométrica de su cápside (a menudo una hélice o un icosaedro) o la estructura del virus (p. ej., presencia o ausencia de una envoltura lipídica). Los virus varían en tamaño desde alrededor de 30 nm hasta alrededor de 450 nm, lo que significa que la mayoría de ellos no se pueden ver con microscopios ópticos. La forma y estructura de los virus se ha estudiado mediante microscopía electrónica, espectroscopía de RMN y cristalografía de rayos X.

El sistema de clasificación más útil y más ampliamente utilizado distingue los virus según el tipo de ácido nucleico que utilizan como material genético y el método de replicación viral que emplean para convencer a las células huésped para que produzcan más virus:

• Virus de ADN (divididos en virus de ADN de doble cadena y virus de ADN de cadena sencilla),
• Virus de ARN (divididos en virus de ARN monocatenario de sentido positivo, virus de ARN monocatenario de sentido negativo y los virus de ARN de doble cadena mucho menos comunes),
• virus de transcripción inversa (virus de ADN de transcripción inversa de doble cadena y virus de ARN de transcripción inversa de cadena única, incluidos los retrovirus).

Los virólogos también estudian partículas subvirales, entidades infecciosas notablemente más pequeñas y simples que los virus:

• viroides (moléculas de ARN circulares desnudas que infectan plantas),
• satélites (moléculas de ácido nucleico con o sin cápside que requieren un virus auxiliar para la infección y la reproducción), y
• priones (proteínas que pueden existir en una conformación patológica que induce a otras moléculas priónicas a asumir esa misma conformación).

Los taxones en virología no son necesariamente monofiléticos, ya que las relaciones evolutivas de los diversos grupos de virus siguen sin estar claras. Existen tres hipótesis sobre su origen:

1. Los virus surgieron de la materia no viva, separados pero en paralelo a las células, quizás en forma de ribozimas de ARN autorreplicantes similares a los viroides.
2. Los virus surgieron por reducción del genoma a partir de formas de vida celular anteriores y más competentes que se convirtieron en parásitos de las células huésped y, posteriormente, perdieron la mayor parte de su funcionalidad; ejemplos de estos diminutos procariotas parásitos son Mycoplasma y Nanoarchaea.
3. Los virus surgieron de elementos genéticos móviles de las células (como transposones, retrotransposones o plásmidos) que se encapsularon en cápsides de proteínas, adquirieron la capacidad de "liberarse" de la célula huésped e infectar otras células.

De particular interés aquí es el mimivirus, un virus gigante que infecta a las amebas y codifica gran parte de la maquinaria molecular tradicionalmente asociada con las bacterias. Dos posibilidades son que sea una versión simplificada de un procariota parásito o que se haya originado como un virus más simple que adquirió genes de su huésped.

La evolución de los virus, que a menudo ocurre junto con la evolución de sus anfitriones, se estudia en el campo de la evolución viral.

Si bien los virus se reproducen y evolucionan, no participan en el metabolismo, no se mueven y dependen de una célula huésped para reproducirse. La cuestión a menudo debatida de si están vivos o no es una cuestión de definición que no afecta a la realidad biológica de los virus.

Enfermedades virales y defensas del huésped

Una de las principales motivaciones para el estudio de los virus es el hecho de que causan muchas enfermedades infecciosas importantes, entre ellas el resfriado común, la gripe, la rabia, el sarampión, muchas formas de diarrea, la hepatitis, el dengue, la fiebre amarilla, la poliomielitis, la viruela y el SIDA. El herpes simple causa el herpes labial y el herpes genital y está bajo investigación como un posible factor en la enfermedad de Alzheimer.

Algunos virus, conocidos como oncovirus, contribuyen al desarrollo de ciertas formas de cáncer. El ejemplo mejor estudiado es la asociación entre el virus del papiloma humano y el cáncer de cuello uterino: casi todos los casos de cáncer de cuello uterino están causados ​​por ciertas cepas de este virus de transmisión sexual. Otro ejemplo es la asociación de la infección por los virus de la hepatitis B y la hepatitis C y el cáncer de hígado.

Algunas partículas subvirales también causan enfermedades: las encefalopatías espongiformes transmisibles, que incluyen Kuru, la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob y la encefalopatía espongiforme bovina ("enfermedad de las vacas locas"), son causadas por priones, la hepatitis D se debe a un virus satélite.

El estudio de la forma en que los virus causan enfermedades es la patogenia viral. El grado en que un virus causa enfermedad es su virulencia.

Cuando el sistema inmunitario de un vertebrado se encuentra con un virus, puede producir anticuerpos específicos que se unen al virus y neutralizan su infectividad o lo marcan para su destrucción. La presencia de anticuerpos en el suero sanguíneo a menudo se usa para determinar si una persona ha estado expuesta a un virus determinado en el pasado, con pruebas como ELISA. Las vacunas protegen contra las enfermedades virales, en parte, al provocar la producción de anticuerpos. Los anticuerpos monoclonales, específicos del virus, también se utilizan para la detección, como en la microscopía de fluorescencia.

La segunda defensa de los vertebrados contra los virus, la inmunidad mediada por células, involucra células inmunitarias conocidas como células T: las células del cuerpo exhiben constantemente fragmentos cortos de sus proteínas en la superficie de la célula, y si una célula T reconoce un fragmento viral sospechoso allí, el huésped La célula se destruye y las células T específicas del virus proliferan. Este mecanismo se pone en marcha con ciertas vacunas.

La interferencia de ARN, un mecanismo celular importante que se encuentra en plantas, animales y muchos otros eucariotas, probablemente evolucionó como una defensa contra los virus. Una elaborada maquinaria de enzimas que interactúan detecta moléculas de ARN de doble cadena (que se producen como parte del ciclo de vida de muchos virus) y luego procede a destruir todas las versiones de cadena sencilla de esas moléculas de ARN detectadas.

Cada enfermedad viral letal presenta una paradoja: matar a su huésped obviamente no beneficia al virus, entonces, ¿cómo y por qué evolucionó para hacerlo? Hoy se cree que la mayoría de los virus son relativamente benignos en sus huéspedes naturales; alguna infección viral podría incluso ser beneficiosa para el huésped. Se cree que las enfermedades virales letales fueron el resultado de un salto "accidental" del virus de una especie en la que es benigno a una nueva que no está acostumbrada (ver zoonosis). Por ejemplo, los virus que causan una influenza grave en humanos probablemente tengan cerdos o aves como su huésped natural, y se cree que el VIH se deriva del virus benigno de primates no humanos SIV.

Si bien ha sido posible prevenir (ciertas) enfermedades virales mediante la vacunación durante mucho tiempo, el desarrollo de medicamentos antivirales para tratar enfermedades virales es relativamente reciente. El primer fármaco de este tipo fue el interferón, una sustancia que se produce naturalmente cuando se detecta una infección y estimula otras partes del sistema inmunitario.

Investigación en biología molecular y terapia viral

Los bacteriófagos, los virus que infectan a las bacterias, se pueden cultivar con relativa facilidad como placas virales en cultivos bacterianos. Los bacteriófagos ocasionalmente mueven material genético de una célula bacteriana a otra en un proceso conocido como transducción, y esta transferencia horizontal de genes es una de las razones por las que sirvieron como una importante herramienta de investigación en el desarrollo temprano de la biología molecular. El código genético, la función de las ribozimas, el primer ADN recombinante y las primeras bibliotecas genéticas se obtuvieron utilizando bacteriófagos. Ciertos elementos genéticos derivados de virus, como los promotores altamente efectivos, se usan comúnmente en la investigación de biología molecular en la actualidad.

El cultivo de virus animales fuera del animal huésped vivo es más difícil. Clásicamente, los huevos de gallina fertilizados se han utilizado a menudo, pero los cultivos celulares se emplean cada vez más para este propósito en la actualidad.

Dado que algunos virus que infectan eucariotas necesitan transportar su material genético al núcleo de la célula huésped, son herramientas atractivas para introducir nuevos genes en el huésped (lo que se conoce como transformación o transfección). Los retrovirus modificados se utilizan a menudo para este fin, ya que integran sus genes en los cromosomas del huésped.

Este enfoque de usar virus como vectores genéticos se está aplicando en la terapia génica de enfermedades genéticas. Un problema evidente a superar en la terapia génica viral es el rechazo del virus transformante por parte del sistema inmunitario.

La terapia con fagos, el uso de bacteriófagos para combatir enfermedades bacterianas, fue un tema de investigación popular antes de la llegada de los antibióticos y recientemente ha despertado un renovado interés.

Los virus oncolíticos son virus que infectan preferentemente células cancerosas. Si bien los primeros esfuerzos para emplear estos virus en la terapia del cáncer fracasaron, hubo informes en 2005 y 2006 de resultados preliminares alentadores.

Secuenciación de virus

Como la mayoría de los virus son demasiado pequeños para ser vistos con un microscopio óptico, la secuenciación es una de las principales herramientas en virología para identificar y estudiar el virus. La secuenciación tradicional de Sanger y la secuenciación de próxima generación (NGS) se utilizan para secuenciar virus en la investigación básica y clínica, así como para el diagnóstico de infecciones virales emergentes, la epidemiología molecular de patógenos virales y las pruebas de resistencia a los medicamentos. Hay más de 2,3 millones de secuencias virales únicas en GenBank. Recientemente, NGS ha superado al tradicional Sanger como el enfoque más popular para generar genomas virales.

Otros usos de los virus

Recientemente se describió una nueva aplicación de virus modificados genéticamente en nanotecnología; ver los usos de los virus en la ciencia de los materiales y la nanotecnología. Para su uso en el mapeo de neuronas, consulte las aplicaciones de la pseudorrabia en neurociencia.

Historia

La palabra virus apareció en 1599 y originalmente significaba "veneno".

Una forma muy temprana de vacunación conocida como variolación se desarrolló hace varios miles de años en China. Involucró la aplicación de materiales de enfermos de viruela para inmunizar a otros. En 1717, Lady Mary Wortley Montagu observó la práctica en Estambul e intentó popularizarla en Gran Bretaña, pero encontró una resistencia considerable. En 1796, Edward Jenner desarrolló un método mucho más seguro, utilizando la viruela bovina para inmunizar con éxito a un niño contra la viruela, y esta práctica fue ampliamente adoptada. Siguieron las vacunas contra otras enfermedades virales, incluida la exitosa vacunación contra la rabia de Louis Pasteur en 1886. Sin embargo, la naturaleza de los virus no estaba clara para estos investigadores.

En 1892, el biólogo ruso Dmitry Ivanovsky utilizó un filtro de Chamberland para tratar de aislar la bacteria que causaba la enfermedad del mosaico del tabaco. Sus experimentos mostraron que los extractos de hojas trituradas de plantas de tabaco infectadas seguían siendo infecciosos después de la filtración. Ivanovsky informó que una bacteria puede estar produciendo un minúsculo agente infeccioso o toxina, capaz de pasar el filtro.

En 1898, Martinus Beijerinck repitió el trabajo de Ivanovski, pero fue más allá y pasó el "agente filtrable" de una planta a otra, descubrió que la acción no disminuía y concluyó que era infeccioso (replicándose en el huésped) y, por lo tanto, no una mera toxina. Lo llamó contagio vivum fluidum. Sin embargo, la cuestión de si el agente era un "fluido vivo" o una partícula seguía abierta.

En 1903 se sugirió por primera vez que la transducción por virus podría causar cáncer. En 1908, Bang y Ellerman demostraron que un virus filtrable podía transmitir la leucemia de los pollos, datos que se ignoraron en gran medida hasta la década de 1930, cuando la leucemia se consideró cancerosa. En 1911, Peyton Rous informó de la transmisión del sarcoma de pollo, un tumor sólido, con un virus, y Rous se convirtió así en "padre de la virología tumoral". Más tarde, el virus se denominó virus del sarcoma de Rous 1 y se entendió que era un retrovirus. Desde entonces, se han descrito varios otros retrovirus causantes de cáncer.

La existencia de virus que infectan bacterias (bacteriófagos) fue reconocida por primera vez por Frederick Twort en 1911 e, independientemente, por Félix d'Herelle en 1917. Como las bacterias podían cultivarse fácilmente, esto condujo a una explosión de la investigación en virología.

La causa de la devastadora pandemia de gripe española de 1918 inicialmente no estaba clara. A fines de 1918, científicos franceses demostraron que un "virus que pasa el filtro" podía transmitir la enfermedad a personas y animales, cumpliendo los postulados de Koch.

En 1926 se demostró que la escarlatina es causada por una bacteria infectada por cierto bacteriófago.

Mientras que los virus vegetales y los bacteriófagos se pueden cultivar con relativa facilidad, los virus animales normalmente requieren un animal huésped vivo, lo que complica enormemente su estudio. En 1931 se demostró que el virus de la influenza se podía cultivar en huevos de gallina fertilizados, un método que todavía se usa hoy en día para producir vacunas. En 1937, Max Theiler logró cultivar el virus de la fiebre amarilla en huevos de gallina y produjo una vacuna a partir de una cepa atenuada del virus; esta vacuna salvó millones de vidas y todavía se usa en la actualidad.

Max Delbrück, un importante investigador en el área de los bacteriófagos, describió el "ciclo de vida" básico de un virus en 1937: en lugar de "crecer", una partícula de virus se ensambla a partir de sus partes constituyentes en un solo paso; eventualmente deja la célula huésped para infectar otras células. El experimento de Hershey-Chase en 1952 mostró que solo el ADN y no las proteínas ingresan a una célula bacteriana tras la infección con el bacteriófago T2. La transducción de bacterias por bacteriófagos se describió por primera vez en el mismo año.

En 1949, John F. Enders, Thomas Weller y Frederick Robbins informaron sobre el crecimiento de poliovirus en células embrionarias humanas cultivadas, el primer ejemplo significativo de un virus animal cultivado fuera de animales o huevos de gallina. Este trabajo ayudó a Jonas Salk a obtener una vacuna contra la poliomielitis a partir de virus de la poliomielitis desactivados; esta vacuna demostró ser eficaz en 1955.

El primer virus que pudo cristalizarse y cuya estructura pudo, por lo tanto, dilucidarse en detalle fue el virus del mosaico del tabaco (TMV), el virus que habían estudiado anteriormente Ivanovski y Beijerink. En 1935, Wendell Stanley logró su cristalización para microscopía electrónica y demostró que permanece activo incluso después de la cristalización. Bernal y Fankuchen obtuvieron imágenes claras de difracción de rayos X del virus cristalizado en 1941. Rosalind Franklin propuso la estructura completa del virus del mosaico del tabaco en 1955 después de crear patrones de difracción de TMV "con un detalle y una claridad sin precedentes".También en 1955, Heinz Fraenkel-Conrat y Robley Williams demostraron que el ARN de TMV purificado y su proteína de la cápside (cubierta) pueden autoensamblarse en viriones funcionales, lo que sugiere que este mecanismo de ensamblaje también se usa dentro de la célula huésped, como Delbrück había propuesto anteriormente.

En 1963, el virus de la hepatitis B fue descubierto por Baruch Blumberg, quien pasó a desarrollar una vacuna contra la hepatitis B.

En 1965, Howard Temin describió el primer retrovirus: un virus cuyo genoma de ARN se transcribió inversamente en ADN complementario (ADNc), luego se integró en el genoma del huésped y se expresó a partir de esa plantilla. La enzima viral transcriptasa inversa, que junto con la integrasa es un rasgo distintivo de los retrovirus, fue descrita por primera vez en 1970, de forma independiente por Howard Temin y David Baltimore. El primer retrovirus que infectó a humanos fue identificado por Robert Gallo en 1974. Más tarde se descubrió que la transcriptasa inversa no es específica de los retrovirus; los retrotransposones que codifican la transcriptasa inversa abundan en los genomas de todos los eucariotas. Del diez al cuarenta por ciento del genoma humano se deriva de dichos retrotransposones.

En 1975 se aclaró considerablemente el funcionamiento de los oncovirus. Hasta ese momento, se pensaba que estos virus portaban ciertos genes llamados oncogenes que, cuando se insertaban en el genoma del huésped, causaban cáncer. Michael Bishop y Harold Varmus demostraron que el oncogén del virus del sarcoma de Rous, de hecho, no es específico del virus, sino que está contenido en el genoma de animales sanos de muchas especies. El oncovirus puede activar este protooncogén benigno preexistente, convirtiéndolo en un verdadero oncogén que causa cáncer.

1976 vio el primer brote registrado de la enfermedad del virus del Ébola, una enfermedad de transmisión viral altamente letal.

En 1977, Frederick Sanger logró la primera secuenciación completa del genoma de cualquier organismo, el bacteriófago Phi X 174. En el mismo año, Richard Roberts y Phillip Sharp demostraron de forma independiente que los genes del adenovirus contienen intrones y, por lo tanto, requieren el empalme de genes. Más tarde se descubrió que casi todos los genes de los eucariotas también tienen intrones.

Una campaña mundial de vacunación dirigida por la Organización Mundial de la Salud de las Naciones Unidas dio como resultado la erradicación de la viruela en 1979.

En 1982, Stanley Prusiner descubrió los priones y demostró que causan la tembladera.

Los primeros casos de SIDA se informaron en 1981, y el VIH, el retrovirus que lo causa, fue identificado en 1983 por Luc Montagnier, Françoise Barré-Sinoussi y Robert Gallo.Se desarrollaron pruebas para detectar la infección por VIH mediante la detección de la presencia de anticuerpos contra el VIH. Los tremendos esfuerzos de investigación subsiguientes convirtieron al VIH en el virus mejor estudiado. El virus del herpes humano 8, la causa del sarcoma de Kaposi que a menudo se observa en pacientes con SIDA, se identificó en 1994. A fines de la década de 1990 se desarrollaron varios medicamentos antirretrovirales, lo que redujo drásticamente la mortalidad por SIDA en los países desarrollados. El tratamiento que existe para el VIH incluye una multitud de medicamentos diferentes denominados colectivamente Terapia Antirretroviral Altamente Activa (TARGA). HAART ataca muchos aspectos diferentes del virus del VIH, reduciendo efectivamente sus efectos por debajo del límite de detección. Sin embargo, cuando se suspende la administración de HAART, el VIH se recuperará. Esto se debe a que HAART no ataca las células de VIH infectadas de forma latente, que pueden reactivarse.

El virus de la hepatitis C se identificó utilizando nuevas técnicas de clonación molecular en 1987, lo que condujo a pruebas de detección que redujeron drásticamente la incidencia de hepatitis postransfusional.

Los primeros intentos de terapia génica con vectores virales comenzaron a principios de la década de 1980, cuando se desarrollaron retrovirus que podían insertar un gen extraño en el genoma del huésped. Contenían el gen extraño pero no contenían el genoma viral y, por lo tanto, no podían reproducirse. Las pruebas en ratones fueron seguidas por pruebas en humanos, comenzando en 1989. Los primeros estudios en humanos intentaron corregir la inmunodeficiencia combinada severa (SCID), pero el éxito clínico fue limitado. En el período de 1990 a 1995, la terapia génica se probó en varias otras enfermedades y con diferentes vectores virales, pero quedó claro que las altas expectativas iniciales eran exageradas. En 1999, se produjo otro revés cuando Jesse Gelsinger, de 18 años, murió en un ensayo de terapia génica. Sufrió una respuesta inmune severa después de haber recibido un vector de adenovirus.

En 2002 se informó que el poliovirus se había ensamblado sintéticamente en el laboratorio, lo que representaba el primer organismo sintético. Ensamblar el genoma de base 7741 desde cero, comenzando con la secuencia de ARN publicada del virus, tomó alrededor de dos años. En 2003 se mostró un método más rápido para ensamblar el genoma de 5386 bases del bacteriófago Phi X 174 en dos semanas.

El mimivirus gigante, en cierto sentido un intermediario entre diminutos procariotas y virus ordinarios, fue descrito en 2003 y secuenciado en 2004.

La cepa del subtipo H1N1 del virus de la influenza A que mató hasta 50 millones de personas durante la pandemia de gripe española en 1918 se reconstruyó en 2005. La información de la secuencia se reconstruyó a partir de muestras de tejido conservadas de víctimas de la gripe; A continuación, se sintetizó virus viable a partir de esta secuencia. La pandemia de gripe de 2009 involucró otra cepa de Influenza A H1N1, comúnmente conocida como "gripe porcina".

En 1985, Harald zur Hausen demostró que dos cepas del virus del papiloma humano (VPH) causan la mayoría de los casos de cáncer de cuello uterino. En 2006 se lanzaron dos vacunas que protegen contra estas cepas.

En 2006 y 2007 se informó que la introducción de una pequeña cantidad de genes de factores de transcripción específicos en células normales de la piel de ratones o humanos puede convertir estas células en células madre pluripotentes, conocidas como células madre pluripotentes inducidas. La técnica utiliza retrovirus modificados para transformar las células; este es un problema potencial para la terapia humana ya que estos virus integran sus genes en una ubicación aleatoria en el genoma del huésped, lo que puede interrumpir otros genes y potencialmente causar cáncer.

En 2008, se describió el virófago Sputnik, el primer virófago conocido: utiliza la maquinaria de un virus auxiliar para reproducirse e inhibe la reproducción de ese virus auxiliar. Sputnik se reproduce en amebas infectadas por mamavirus, un pariente del mimivirus mencionado anteriormente y el virus más grande conocido hasta la fecha.

Un retrovirus endógeno (ERV) es un elemento viral en el genoma que se derivó de un retrovirus cuyo genoma se ha incorporado al genoma de la línea germinal de algún organismo y, por lo tanto, se copia con cada reproducción de ese organismo. Se estima que alrededor del 9 por ciento del genoma humano se origina a partir de ERV. En 2015 se demostró que las proteínas de un ERV se expresan activamente en embriones humanos de 3 días y parecen desempeñar un papel en el desarrollo embrionario y proteger a los embriones de la infección por otros virus.

Desde la invención de Organ-on-a-chip en la década de 2010, el enfoque de ingeniería ha encontrado aplicación en el estudio de muchas enfermedades. El enfoque también se ha introducido en la virología y se están desarrollando modelos de chips. Los ejemplos incluyen la invención del modelo de influenza por el grupo de Donald E. Ingber, la invención del modelo de enfermedad por el virus del Ébola por el grupo de Alireza Mashaghi y la invención del modelo de hepatitis viral por el grupo de Marcus Dorner. El enfoque de chip de órgano probablemente reemplazará los modelos animales para la virología humana.