Artículo traducido desde “The Coronavirus Unveiled”.
Carl Zimmer, The New York Times, Octubre 9, 2020.
En febrero de 2020, cuando el nuevo coronavirus SARS-CoV-2 se extendió entre las poblaciones de China y obligó a cerrar ciudades enteras, un científico chino llamado Sai Li, comenzó a trabajar para intentar obtener su una imagen de este novedoso virus.
Hasta ese momento, las mejores fotografías que alguien había logrado tomar eran imágenes de baja resolución, en las que el virus parecía una mancha apenas perceptible.
El Dr. Li, un biólogo estructural de la Universidad de Tsinghua en Beijing, unió su trabajo con virólogos que estaban estudiando el virus en un laboratorio de bioseguridad en la ciudad de Hangzhou. Estos investigadores rociaron los virus con sustancias químicas para hacerlos inofensivos y luego se los enviaron al Dr. Li.
En su laboratorio, el Dr. Li y sus colegas concentraron el fluido cargado de virus desde un litro hasta una sola gota, un proceso que le llevó varias semanas, y con la esperanza de que no hubieran afectado a los virus.
«En ese momento no sabía lo que había dentro, ya que solo era líquido», expresaba el Dr. Li.
Vislumbrando la estructura del virus
El Dr. Li congeló cuidadosamente la gota en un proceso rápido de tan solo una fracción de segundo, para obtener la muestra con los virus en una forma sólida. Si se cometía algún error en el procedimiento, los cristales de hielo que se formarían, podrían atravesar los virus y destrozarlos.
La pequeña partícula de hielo se colocó en un microscopio crioelectrónico, que es un microscopio electrónico de barrido que trabaja a muy bajas temperaturas, por debajo de los -195 °C, la temperatura del nitrógeno en estado líquido.
Cuando se obtuvieron las primeras imágenes, el Dr. Li y su equipo se sorprendieron, “la pantalla estaba llena de virus”.
Una imagen de tomografía crio-electrónica del virus SARS-CoV-2, en gris, con una reconstrucción computacional de un virus. (Fotografía de Sai Li, Tsinghua University School of Life Sciences)
Se podían observar miles de coronavirus empaquetados en el hielo como caramelos en un frasco. Estaban maravillosamente intactos, lo que le permitió inspeccionar los detalles de los virus que medían menos de 2 nanómetros, esto es, en el orden de la millonésima parte de un milímetro.
“Éramos los primeros en el mundo en ver el virus con tan buena resolución”, recuerda pensar el Dr. Li.
Durante las siguientes semanas, Dr. Li y sus colegas estudiaron detenidamente los virus. Inspeccionaron las proteínas que cubrían su superficie y se enfocaron en su núcleo, donde la cadena de genes del virus estaba enrollada con proteínas. Las imágenes recordaban a huevos en un nido.
Una reconstrucción computacional superpuesta sobre una imagen de varios virus SARS-CoV-2. (Fotografía de Sai Li, Tsinghua University School of Life Sciences).
Gracias al trabajo de científicos como el Dr. Li, el nuevo coronavirus SARS-CoV-2, deja de ser un enigma. Han llegado a conocerlo en detalle íntimo alcanzando el nivel atómico. Han descubierto cómo utiliza algunas de sus proteínas para introducirse en las células y cómo sus genes, íntimamente retorcidos, dominan nuestra bioquímica. Han observado cómo algunas proteínas virales interfieren con nuestras fábricas celulares, mientras que otras generan maquinarias de producción de nuevos virus. Y algunos investigadores están usando supercomputadoras para crear virus virtuales completos que esperan poder usar para comprender cómo los virus reales se han propagado con una facilidad tan devastadora.
“Esta vez no se parece a nada que hayamos experimentado antes, solo en términos de la cantidad enorme de datos”, expresó Rommie Amaro, una bióloga computacional de la Universidad de California en San Diego.
Sondeando la espiga
A principios de este año, la Dra. Amaro y otros investigadores dirigieron gran parte de su atención a las proteínas, llamadas “espigas”, que están ubicadas en la superficie del virus. Las proteínas en espiga tienen un trabajo esencial que desempeñar: se adhieren a las células de nuestras vías respiratorias para que el virus pueda entrar. Pero pronto quedó claro que el nombre era inapropiado. La proteína en espiga no es afilada, ni estrecha ni tampoco rígida.
Cada proteína en espiga se une con otras dos proteínas, formando una estructura que tiene la forma de una flor de tulipán. Un tallo largo ancla las proteínas al virus y su parte superior parece una flor de tres partes.
Gerhard Hummer, un biofísico computacional del Instituto de Biofísica Max Planck, y sus colegas utilizaron el método de microscopía congelada para tomar fotografías de las proteínas en espiga incrustadas en la membrana del virus. Luego calcularon cómo los átomos que forman las proteínas se empujaban y estiraban entre sí. El resultado fue una danza molecular: las proteínas de la espiga giran alrededor de tres puntos como si fueran bisagras.
Un escudo de azúcares
El Dr. Hummer ha considerado que la flexibilidad de la proteína en espiga es importante para el éxito del virus. Al tener esta movilidad, la espiga aumenta sus probabilidades de encontrar en la superficie de nuestras células a la proteína adecuada y que utiliza para adherirse a ella.
Sin embargo, a medida que se desplazan, las espigas pueden ser atacadas por anticuerpos, los poderosos soldados de nuestro sistema inmunológico. Para esconderse, crean un escudo con azúcares. Las moléculas de azúcar, esto es hidratos de carbono complejos, en color azul marino en la imagen de abajo, se agrupan alrededor de las proteínas y las ocultan de los anticuerpos.
Una proteína en espiga, a la izquierda, con el recubrimiento protector de azúcares, a la derecha. (Imagen de Lorenzo Casalino, Amaro Lab, University of California, San Diego).
Una estructura molecular en forma de pequeño gancho ubicada al final de la proteína en espiga, en azul claro en la imagen de abajo, a veces se levanta por encima del escudo de azúcares. Si encuentra en la superficie de nuestras células una proteína en particular, desencadena una serie de reacciones que permiten que el virus se fusione en una membrana celular e inyecte sus genes dentro de la célula.
Adhiriéndose a un receptor ACE2, en amarillo, el coronavirus puede entrar a las células humanas. (Imagen de Lorenzo Casalino, Amaro Lab, University of California. San Diego).
Bucles enredados
Los genes del coronavirus están dispuestos en una cadena molecular llamada ARN (ácido desoxirribonucleico). El 10 de enero de 2020, investigadores chinos publicaron su secuencia de 30.000 bases (o también denominadas con letras, A por la base adenina, C por citosina, G por guanina y T por timina). Ese código o texto genético almacena la información necesaria para que una célula pueda producir las proteínas del virus.
Pero el genoma es mucho más que un libro de receta para fabricar nuevas proteínas. La larga hebra del genoma se pliega en forma de un ovillo enredado sumamente complejo. Y ese enredo es crucial para que el virus pueda explotar la maquinaria de nuestras células. «Se consigue almacenar mucha más información de ese modo «, según afirma Sylvi Rouskin, una bióloga estructural del Instituto Whitehead.
La Dra. Rouskin ha dirigido un equipo de científicos que consiguió trazar un mapa de esa estructura. En un laboratorio de alta seguridad de la Universidad de Boston, EEUU, sus colegas infectaron células humanas con los virus y les dieron tiempo para producir miles de nuevas hebras de ARN. Al marcar las letras genéticas de las hebras con productos químicos, la Dra. Rouskin y sus colegas pudieron determinar cómo se plegaba la hebra sobre sí misma.
Una pequeña porción del genoma del coronavirus, mostrándose cómo se dobla en bucles. (Imagen de Tammy C. T. Lan et al., bioRxiv).
En algunos lugares solo formó bucles laterales cortos. En otros lugares, cientos de letras del ARN formaban grandes aros, con bucles y más bucles cortos saliendo de ellos. Al comparar millones de genomas virales, la Dra. Rouskin y sus colegas descubrieron lugares donde el virus pasa de una forma a otra.
Muchos investigadores ahora están examinando de cerca algunas de estas regiones particulares del ARN del coronavirus para descubrir cuál es su función. Sus estudios sugieren que esta conformación permite que el virus controle nuestros ribosomas, las diminutas fábricas dentro de nuestras células que construyen proteínas.
Después de que el virus ingresa a una célula humana, nuestros ribosomas se adhieren a sus cadenas de ARN y se van deslizando por ellas en un recorrido similar al de un carro en la pista de una montaña rusa. A medida que los ribosomas pasan sobre las bases genéticas, construyen proteínas de estructuras correspondientes a ese código de bases. Los científicos sospechan que los bucles en el ARN pueden hacer que el carro de la montaña rusa se salga de su pista para luego guiarlo a un lugar a miles de posiciones (o bases) de distancia.
Otros bucles obligan al ribosoma a retroceder un poco y luego avanzar nuevamente. Este pequeño contratiempo puede hacer que el virus produzca proteínas completamente diferentes a partir del mismo tramo de ARN.
Interfiriendo en la maquinaria
Las proteínas virales que fueron construidas y salen de nuestros ribosomas se dispersan por el interior de la célula para realizar diferentes tareas. Una de estas proteínas, llamada Nsp1, ayuda a tomar el control de nuestra maquinaria molecular.
Joseph Puglisi, un biólogo estructural de Stanford, y sus colegas mezclaron las proteínas Nsp1 y los ribosomas en tubos de ensayo. Descubrieron que las proteínas, en color rosa en la imagen de abajo, se deslizaban ordenadamente en los canales dentro de los ribosomas donde normalmente encajaría el ARN.
Un ribosoma con ARN, en azul, y con Nsp1, en rosa. (Imagen de Christopher Lapointe, Stanford University School of Medicine. Ribosome models by Angelita Simonetti et al., Cell Reports and Matthias Thoms et al., Science).
El Dr. Puglisi sospecha que la proteína Nsp1 impide que nuestras células produzcan sus propias proteínas, especialmente las proteínas antivirales que podrían destruir el virus. Pero esto lleva a los científicos a plantearse la pregunta de ¿cómo el virus produce sus propias proteínas?
Una respuesta posible es que «de alguna manera, el virus simplemente aumenta su capacidad para producir proteínas», afirma el Dr. Puglisi. De vez en cuando, la Nsp1 se desprende de los ribosomas y, de alguna manera, el virus hace un mejor trabajo al aprovechar esas breves oportunidades. “Esperábamos que fuera algo simple”, afirmaba. «Pero, como es habitual en la ciencia, no fue así».
Gotas y gotitas
Mientras la proteína Nsp1 se encuentra manipulando a los ribosomas, otras proteínas virales están ocupadas creando nuevos virus. Media docena de proteínas diferentes se unen para producir nuevas copias del ARN del virus. Pero algo extraordinario sucede en el camino: las proteínas y el ARN se juntan y se convierten espontáneamente en una gota, similar a una pequeña bola en las conocidas “lámparas de lava”.
Los físicos saben desde hace mucho tiempo que las moléculas de un líquido se agrupan para formar gotas de forma espontánea, si las condiciones del entorno son las adecuadas. «Ese proceso es similar al de hacer aderezos para ensaladas», expresa Amy Gladfelter, una bióloga celular de la Universidad de Carolina del Norte. En química se conoce como formar una emulsión.
Solo en los últimos años, los biólogos moleculares han descubierto que nuestras células producen con regularidad estas gotas en su interior, para sus propios fines. De este modo pueden reunir ciertas moléculas en altas concentraciones para llevar a cabo reacciones especiales, bloqueando a otras moléculas para que no puedan entrar en las gotitas.
Richard Young, un biólogo del Whitehead Institute, y sus colegas han mezclado proteínas del SARS-CoV-2 que construyen nuevo ARN junto con moléculas de ARN. Cuando las moléculas se ensamblan, forman espontáneamente gotas. Es probable que el virus obtenga los mismos beneficios con esta estrategia que la célula.
Una imagen de gotas microscópicas formadas por proteínas y ARN del SARS-CoV-2 (Imagen de Eliot Coffey and Richard Young, Whitehead Institute for Biomedical Research).
Dada la sofisticación que muestra el coronavirus en muchos otros aspectos, al Dr. Young no le ha sorprendido su descubrimiento: «¿por qué los virus no deberían aprovechar esta propiedad de la materia?»
Poros y túneles
Los coronavirus pueden hacer que las células humanas formen nuevas cámaras para albergar su material genético. Pero cuando Montserrat Bárcena, una microscopista del Centro Médico de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, inspeccionó esos receptáculos, se quedó desconcertada: no parecía haber huecos en las membranas, y ello no permitiría que el ARN entrara o saliera.
Recientemente, la Dra. Bárcena y sus colegas observaron más de cerca estas membranas y descubrieron un camino. Una de las proteínas del coronavirus, llamada Nsp3, se pliega formado un túnel dentro de su estructura, que luego se conecta a las membranas.
Ensamblaje de nuevos virus
En cuestión de horas, una célula infectada puede producir miles de genomas de nuevos virus. Los ribosomas de la célula leen sus genes, produciendo aún más proteínas virales. Eventualmente, algunas de esas proteínas y los nuevos genomas se ensamblan para producir nuevos virus.
Esta no es una tarea fácil, porque la cadena de genes del coronavirus es cien veces más larga que el virus mismo.
Experimentos recientes sugieren que, una vez más, el SARS-CoV-2 utiliza la física de la “lámpara de lava” a su favor. Las proteínas llamadas nucleocápsides se adhieren a puntos a lo largo de la cadena de ARN. Todas juntas, las moléculas rápidamente se agrupan para formar gotas.
La Dra. Gladfelter considera que esta estrategia evita que dos hebras de genes se enreden entre sí, y como resultado, cada nuevo virus finaliza con un solo conjunto de genes.
Estas gotitas son encapsuladas dentro de las membranas virales y las proteínas en espiga, y los nuevos virus están listos para escapar de la célula. Para simular a nivel de sus átomos cada uno de estos virus, la Dra. Amaro ha recopilado las nuevas imágenes de las proteínas y el ARN del SARS-CoV-2, para “construir” virus virtuales en supercomputadoras, cada uno de las cuales consta de 500 millones de átomos. De este modo, es posible simular por computadora y utilizando todo lo conocido en las leyes de la física y la química, el movimiento o “danza” de los virus al nivel del femtosegundo, es decir en la escala de la millonésima de mil millonésima de segundo.
La Dra. Amaro y sus colegas esperan usar sus simulaciones computacionales de virus para abordar una de las preguntas más polémicas sobre Covid-19: ¿cómo se propaga el virus de persona a persona?
Cuando las personas infectadas exhalan, hablan o tosen, liberan pequeñitas gotas de agua cargadas de virus. No está claro cuánto tiempo puede sobrevivir el SARS-CoV-2 en estas gotas. La Dra. Amaro planea reproducir computacionalmente estas gotas, hasta el nivel de sus moléculas de agua individuales, luego agregar el virus y observar qué les sucede. Es claro que lo que observen en las pantallas de sus computadoras no será la realidad de los hechos, pero estas simulaciones darán a los científicos muchos indicios aún desconocidos, para seguir investigando y aprendiendo.
Medicamentos y vacunas
Las nuevas imágenes y simulaciones computacionales del SARS-CoV-2 ya se han vuelto esenciales para la lucha contra la pandemia. Estos nuevos conocimientos permiten que los desarrolladores de vacunas estudien la estructura del virus para asegurarse de que los anticuerpos producidos por las vacunas se adhieran firmemente al virus. Por otra parte, los desarrolladores de fármacos están inventando moléculas que alteran el virus al ubicarse en rincones y grietas de las proteínas y bloqueando su maquinaria.
La molécula de una droga, en azul, bloquea la punta de la espiga del coronavirus (Simulación de Ian Haydon, Institute for Protein Design).
El conocimiento del genoma del virus puede ofrecer otros objetivos para combatirlo. Es posible que los medicamentos bloqueen los bucles y entrecruzamientos que tiene el virus, y así impedir que pueda controlar nuestros ribosomas. «Es muy importante poder conocer cuál es su forma, para que sea posible desarrollar la química adecuada para unirse a esa propia forma», afirma la Dra. Rouskin.
Mientras tanto, el Dr. Gladfelter pretende conocer si la física de las gotitas virales puede ofrecer una nueva línea de ataque contra el SARS-CoV-2.
“Se podría conseguir un compuesto químico que las hiciera más pegajosas, más gelatinosas”, expresa. «Probablemente haya muchos talones de Aquiles», y es muy importante averiguarlos.
Investigación futura
Si bien los últimos meses han brindado una gran cantidad de datos sobre el virus, algunos estudios han dejado en claro que se necesitarán años para comprender el SARS-CoV-2.
Noam Stern-Ginossar y sus colegas del Instituto Weizmann en Israel, por ejemplo, han encontrado evidencia de que el virus produce proteínas que los científicos aún no han descubierto.
La Dra. Stern-Ginossar y sus colegas examinaron el ARN del virus en las células infectadas, contando todos los ribosomas que lo estaban leyendo. Algunos ribosomas se agruparon a lo largo de genes conocidos. Pero otros estaban leyendo genes que nunca antes se habían encontrado.
Los ribosomas a veces leen solo una sección del gen de la proteína en espiga, por ejemplo. Es de suponer que hacen una mini-espiga, que muy bien puede realizar algún trabajo esencial para el virus. Un medicamento que inhabilite esta etapa podría curar el Covid-19.
Pero los científicos ni siquiera pueden comenzar a adivinar estas posibilidades, porque nadie ha detectado aún la mini-espiga en la naturaleza. Y lo mismo sucederá con los otros genes nuevos, como ha descubierto el equipo de la Dra. Stern-Ginossar.
«Cada uno de estos aspectos requerirá un trabajo adicional para averiguar lo que están haciendo», dijo. «La biología lleva tiempo».
Fuente:
Artículo: “The Coronavirus Unveiled”. Carl Zimmer, The New York Times, Octubre 9, 2020.
https://www.nytimes.com/interactive/2020/health/coronavirus-unveiled.html
