Virus del mosaico del tabaco
El virus del mosaico del tabaco (TMV) es una especie de virus de ARN monocatenario de sentido positivo del género Tobamovirus que infecta una amplia gama de plantas, especialmente el tabaco y otros miembros de la familia Solanaceae. La infección causa patrones característicos, como moteado y decoloración en forma de "mosaico" en las hojas (de ahí el nombre). TMV fue el primer virus que se descubrió. Aunque se sabía desde finales del siglo XIX que una enfermedad infecciosa no bacteriana estaba dañando los cultivos de tabaco, no fue hasta 1930 que se determinó que el agente infeccioso era un virus. Es el primer patógeno identificado como virus. El virus fue cristalizado por W.M. Stanley. Tiene un tamaño similar a la molécula sintética más grande, conocida como PG5.
Historia
En 1886, Adolf Mayer describió por primera vez la enfermedad del mosaico del tabaco que podía transmitirse entre plantas, de forma similar a las infecciones bacterianas. En 1892, Dmitri Ivanovsky dio la primera evidencia concreta de la existencia de un agente infeccioso no bacteriano, demostrando que la savia infectada seguía siendo infecciosa incluso después de filtrarse a través de los mejores filtros de Chamberland. Más tarde, en 1903, Ivanovsky publicó un artículo que describía inclusiones intracelulares de cristales anormales en las células huésped de las plantas de tabaco afectadas y argumentó la conexión entre estas inclusiones y el agente infeccioso. Sin embargo, Ivanovsky permaneció bastante convencido, a pesar de los repetidos fracasos en la producción de pruebas, de que el agente causal era una bacteria no cultivable, demasiado pequeña para ser retenida en los filtros Chamberland empleados y detectada en el microscopio óptico. En 1898, Martinus Beijerinck replicó de forma independiente los experimentos de filtración de Ivanovsky y luego demostró que el agente infeccioso podía reproducirse y multiplicarse en las células huésped de la planta de tabaco. Beijerinck adoptó el término de "virus" para indicar que el agente causal de la enfermedad del mosaico del tabaco era de naturaleza no bacteriana. El virus del mosaico del tabaco fue el primer virus en cristalizarse. Fue logrado por Wendell Meredith Stanley en 1935, quien también demostró que TMV permanece activo incluso después de la cristalización. Por su trabajo, recibió 1/4 del Premio Nobel de Química en 1946, aunque más tarde se demostró que algunas de sus conclusiones (en particular, que los cristales eran proteína pura y ensamblados por autocatálisis) eran incorrectas. Las primeras imágenes microscópicas electrónicas de TMV fueron realizadas en 1939 por Gustav Kausche, Edgar Pfankuch y Helmut Ruska, hermano del ganador del Premio Nobel Ernst Ruska. En 1955, Heinz Fraenkel-Conrat y Robley Williams demostraron que el ARN del TMV purificado y su proteína de la cápside (cubierta) se ensamblan por sí mismos en virus funcionales, lo que indica que esta es la estructura más estable (la que tiene la energía libre más baja). La cristalógrafa Rosalind Franklin trabajó para Stanley durante aproximadamente un mes en Berkeley y luego diseñó y construyó un modelo de TMV para la Feria Mundial de 1958 en Bruselas. En 1958, especuló que el virus era hueco, no sólido, y planteó la hipótesis de que el ARN del TMV es monocatenario. Se demostró que esta conjetura era correcta después de su muerte y ahora se sabe que es el hilo +. Las investigaciones de la enfermedad del mosaico del tabaco y el subsiguiente descubrimiento de su naturaleza viral fueron fundamentales en el establecimiento de los conceptos generales de virología.
Estructura
El virus del mosaico del tabaco tiene una apariencia similar a una varilla. Su cápside está formada por 2130 moléculas de proteína de cubierta y una molécula de ARN genómico monocatenario, de 6400 bases de longitud. La proteína de la cubierta se autoensambla en la estructura helicoidal en forma de varilla (16,3 proteínas por vuelta de hélice) alrededor del ARN, que forma una estructura de bucle de horquilla (ver la micrografía electrónica anterior). La organización estructural del virus le da estabilidad. El monómero de la proteína consta de 158 aminoácidos que se ensamblan en cuatro hélices alfa principales, que están unidas por un bucle prominente proximal al eje del virión. Los viriones miden ~300 nm de longitud y ~18 nm de diámetro. Las microfotografías electrónicas teñidas negativamente muestran un canal interno distintivo de radio ~2 nm. El ARN se encuentra en un radio de ~4 nm y está protegido de la acción de las enzimas celulares por la proteína de cubierta. La estructura de difracción de fibra de rayos X del virus intacto se estudió en base a un mapa de densidad de electrones a una resolución de 3,6 Å. Dentro de la hélice de la cápside, cerca del núcleo, se encuentra la molécula de ARN enrollada, que se compone de 6395 ± 10 nucleótidos. La estructura del virus juega un papel importante en el reconocimiento del ADN viral. Esto sucede debido a la formación de un intermediario obligatorio producido a partir de una proteína que permite que el virus reconozca una estructura de horquilla de ARN específica. El intermedio induce la nucleación del autoensamblaje de TMV al unirse a la estructura de horquilla.
Genoma
El genoma del TMV consiste en un ARN monocatenario (ss) de 6,3–6,5 kpb. El extremo 3' tiene una estructura similar a la del ARNt y el extremo 5' tiene una cubierta de nucleótidos metilados. (m7G5'pppG). El genoma codifica 4 marcos de lectura abiertos (ORF), dos de los cuales producen una sola proteína debido a la lectura ribosómica de un codón de parada UAG con fugas. Los 4 genes codifican una replicasa (con dominios metiltransferasa [MT] y ARN helicasa [Hel]), una ARN polimerasa dependiente de ARN, una proteína de movimiento (MP) y una proteína de la cápside (CP). La secuencia de codificación comienza con el primer marco de lectura, que está a 69 nucleótidos del 5' extremo del ARN. La región no codificante en el 5' El final puede variar en diferentes viriones individuales, pero no se ha encontrado ninguna variación entre los viriones en la región no codificante en el 3' fin.
Propiedades fisicoquímicas
TMV es un virus termoestable. En una hoja seca, puede soportar hasta 50 °C (120 grados Fahrenheit) durante 30 minutos.
TMV tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,57.
Ciclo de la enfermedad
TMV no tiene una estructura distinta para pasar el invierno. Más bien, pasará el invierno en los tallos y hojas de tabaco infectados en el suelo, en la superficie de las semillas contaminadas (el TMV incluso puede sobrevivir en productos de tabaco contaminados durante muchos años, por lo que los fumadores pueden transmitirlo accidentalmente al tocarlo, aunque no en el humo). sí mismo). Con el contacto directo con las plantas hospederas a través de sus vectores (normalmente insectos como pulgones y chicharritas), el TMV pasará por el proceso de infección y luego por el proceso de replicación.
Infección y transmisión
Después de su multiplicación, ingresa a las células vecinas a través de los plasmodesmos. La infección no se propaga por contacto con insectos, sino por contacto directo a las células vecinas. Para su entrada suave, TMV produce una proteína de movimiento de 30 kDa llamada P30 que agranda los plasmodesmos. Lo más probable es que TMV se mueva de una célula a otra como un complejo de ARN, P30 y proteínas replicadas.
También puede propagarse a través del floema para un movimiento de mayor distancia dentro de la planta. Además, TMV puede transmitirse de una planta a otra por contacto directo. Aunque TMV no tiene vectores de transmisión definidos, el virus puede transmitirse fácilmente desde los huéspedes infectados a las plantas sanas por manipulación humana.
Replicación
Después de entrar en su huésped a través de la inoculación mecánica, el TMV se quita la cubierta para liberar su hebra de ARN viral [+]. A medida que se produce el decapado, el gen MetHel:Pol se traduce para producir la enzima de protección MetHel y la ARN polimerasa. Luego, el genoma viral se replicará aún más para producir múltiples mRNA a través de un intermediario de [-]RNA cebado por el tRNAHIS en el [+]RNA 3' fin. Los ARNm resultantes codifican varias proteínas, incluida la proteína de cubierta y una ARN polimerasa dependiente de ARN (RdRp), así como la proteína de movimiento. Por lo tanto, TMV puede replicar su propio genoma.
Después de sintetizar la proteína de cubierta y el genoma de ARN de TMV, se ensamblan espontáneamente en viriones completos de TMV en un proceso altamente organizado. Los protómeros se unen para formar discos o 'arandelas de seguridad' compuesto por dos capas de protómeros dispuestas en una hélice. La cápside helicoidal crece mediante la adición de protómeros al extremo del bastón. A medida que se alarga el bastón, el ARN pasa a través de un canal en su centro y forma un bucle en el extremo en crecimiento. De esta forma, el ARN puede encajar fácilmente en forma de espiral en el interior de la cápside helicoidal.
Huésped y síntomas
Al igual que otros virus fitopatógenos, el TMV tiene una gama de huéspedes muy amplia y tiene diferentes efectos según el huésped infectado. Se sabe que el virus del mosaico del tabaco causa una pérdida de producción de tabaco curado al humo de hasta un dos por ciento en Carolina del Norte. Se sabe que infecta a miembros de nueve familias de plantas y al menos a 125 especies individuales, incluidos el tabaco, el tomate, la pimienta (todos los miembros de las solanáceas útiles), pepinos, varias flores ornamentales y frijoles, incluido Phaseolus vulgaris y Vigna unguiculata. Hay muchas cepas diferentes. El primer síntoma de esta enfermedad viral es una coloración verde claro entre las nervaduras de las hojas jóvenes. A esto le sigue rápidamente el desarrollo de un "mosaico" o patrón moteado de áreas de color verde claro y oscuro en las hojas. La rugosidad también se puede ver donde las hojas de la planta infectada muestran pequeñas arrugas aleatorias localizadas. Estos síntomas se desarrollan rápidamente y son más pronunciados en las hojas más jóvenes. Su infección no resulta en la muerte de la planta, pero si la infección ocurre temprano en la temporada, las plantas se atrofian. Las hojas inferiores están sujetas a "quemadura de mosaico" especialmente durante los períodos de clima cálido y seco. En estos casos, se desarrollan grandes áreas muertas en las hojas. Esta constituye una de las fases más destructivas de la infección por virus del mosaico del tabaco. Las hojas infectadas pueden estar arrugadas, arrugadas o alargadas. Sin embargo, si el TMV infecta cultivos como la uva y la manzana, es casi asintomático. TMV es capaz de infectar y completar su ciclo de replicación en un hongo patógeno de plantas, TMV es capaz de entrar y replicarse en células de C. acutatum, C. clavatum y C. theobromicola, que puede no ser una excepción, aunque no tiene ni encontrado ni probablemente buscado en la naturaleza.
Medio ambiente
TMV es conocido como uno de los virus más estables. Tiene un rango de supervivencia muy amplio. Mientras la temperatura ambiente permanezca por debajo de los 40 grados centígrados, el TMV puede mantener su forma estable. Todo lo que necesita es un anfitrión para infectar. De ser necesario, los invernaderos y jardines botánicos proporcionarían las condiciones más favorables para la dispersión del TMV, debido a la alta densidad de población de posibles hospedantes y la temperatura constante durante todo el año. También podría ser útil cultivar TMV in vitro en savia porque puede sobrevivir hasta 3000 días.
Tratamiento y manejo
Uno de los métodos de control comunes para TMV es el saneamiento, que incluye quitar las plantas infectadas y lavarse las manos entre cada siembra. También se debe emplear la rotación de cultivos para evitar suelos/semilleros infectados durante al menos dos años. Como para cualquier enfermedad de las plantas, también se puede recomendar buscar cepas resistentes contra TMV. Además, se puede administrar el método de protección cruzada, donde la cepa más fuerte de infección por TMV se inhibe infectando la planta huésped con una cepa leve de TMV, similar al efecto de una vacuna.
En los últimos diez años, se ha desarrollado la aplicación de la ingeniería genética en el genoma de una planta huésped para permitir que la planta huésped produzca la proteína de cubierta TMV dentro de sus células. Se planteó la hipótesis de que el genoma de TMV se volverá a recubrir rápidamente al ingresar a la célula huésped, por lo que evita el inicio de la replicación de TMV. Más tarde se descubrió que el mecanismo que protege al huésped de la inserción del genoma viral es a través del silenciamiento génico.
TMV es inhibido por un producto del moho mucilaginoso mixomiceto Physarum polycephalum. Tanto el tabaco como los frijoles P. vulgaris y V. sinensis casi no sufrió lesiones in vitro de TMV cuando se trató con una P. extracto de policéfalo.
La investigación ha demostrado que Bacillus spp. se puede utilizar para reducir la gravedad de los síntomas del TMV en las plantas de tabaco. En el estudio, las plantas de tabaco tratadas tuvieron más crecimiento y menos acumulación de viriones TMV que las plantas de tabaco que no habían sido tratadas.
H.Fraenkel-Conrat ha realizado una investigación para demostrar la influencia del ácido acético en el virus del mosaico del tabaco. Según la investigación, el 67% de ácido acético resultó como degradación del virus.
Otra posible fuente de prevención del TMV es el uso de ácido salicílico. Un estudio realizado por un equipo de investigación de la Universidad de Cambridge encontró que el tratamiento de plantas con ácido salicílico redujo la cantidad de ARN viral de TMV y la proteína de cubierta viral presente en las plantas de tabaco. Su investigación mostró que lo más probable es que el ácido salicílico estuviera interrumpiendo la replicación y la transcripción y, más específicamente, el complejo RdRp.
Se realizó una investigación y se reveló que los humanos tienen anticuerpos contra el virus del mosaico del tabaco.
Impacto científico y ambiental
La gran cantidad de literatura sobre TMV y su elección para muchas investigaciones pioneras en biología estructural (incluida la difracción de rayos X), ensamblaje y desensamblaje de virus, etc., se debe fundamentalmente a las grandes cantidades que se pueden obtener, además el hecho de que no infecta a los animales. Después de cultivar varios cientos de plantas de tabaco infectadas en un invernadero, seguido de unos simples procedimientos de laboratorio, un científico puede producir varios gramos del virus. De hecho, el virus del mosaico del tabaco está tan proliferado que los cuerpos de inclusión se pueden ver solo con un microscopio óptico.
James D. Watson, en sus memorias La doble hélice, cita su investigación con rayos X de la estructura helicoidal del TMV como un paso importante para deducir la naturaleza de la molécula de ADN.
Aplicaciones
Los virus de las plantas se pueden usar para diseñar vectores virales, herramientas comúnmente utilizadas por los biólogos moleculares para llevar material genético a las células de las plantas; también son fuentes de biomateriales y dispositivos de nanotecnología. Los vectores virales basados en TMV incluyen los de las tecnologías de expresión de plantas magnICON y TRBO. Debido a su forma cilíndrica, alta relación de aspecto, naturaleza de autoensamblaje y capacidad para incorporar recubrimientos metálicos (níquel y cobalto) en su carcasa, TMV es un candidato ideal para incorporarse a los electrodos de la batería. La adición de TMV a un electrodo de batería aumenta el área de la superficie reactiva en un orden de magnitud, lo que resulta en un aumento de la capacidad de la batería hasta seis veces en comparación con la geometría de un electrodo plano. El vector basado en TMV también permitió C. acutatum para expresar transitoriamente GFP exógena hasta seis subcultivos y durante al menos 2 meses después de la infección, sin necesidad de desarrollar tecnología de transformación, el ARNi se puede expresar en el hongo fitopatógeno Colletotrichum acutatum por VIGS utilizando un vector recombinante basado en TMV en el que el ORF del gen que codifica la proteína verde fluorescente (GFP) se transcribió en células fúngicas a partir de un duplicado del promotor de ARNm subgenómico de la proteína de cubierta (CP) de TMV y demostró que el enfoque podría usarse para obtener la expresión de proteínas extrañas en hongos.
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