¿Cómo empaquetan los virus su ADN?

Por David Castro, el 26 enero, 2012. Categoría(s): Biología • Química
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Los virus infectan tanto células como bacterias porque no pueden multiplicarse por sí mismos. Al hacerlo, usan las moléculas y enzimas de su desafortunado hospedero para replicar su genoma y construir sus cápsulas virales, las cuales son muy parecidas a unas sondas espaciales pero que, en este caso, sólo transportan ADN o ARN con el único fin de repetir el ciclo en otra víctima.

Uno de los procesos clave en toda infección viral es el empaquetamiento del material genético dentro de dichas cápsulas. Este proceso no es tan sencillo como nos lo pintan en los libros, donde vemos que las moléculas de ADN (o ARN) recién copiadas, se encuentran flotando a la deriva en el citoplasma, y como por arte de magia, unas proteínas empiezan a envolverlas para formar nuevos virus que luego son liberados mediante una explosión celular.

Para explicarlo de manera muy sencilla, hoy abordaremos el caso de los adenovirus, los virus del herpes, el virus de la viruela y los bacteriófagos con cola. Todos estos presentan un material genético compuesto por un ADN de doble hebra.

El principal problema con el empaquetamiento es la longitud del ADN. Para que se hagan una idea de lo difícil que es, imaginen que están comiendo unos sabrosos espaguetis; pero este es uno muy peculiar, está hecho por un único fideo de tres metros de largo y  medio centímetro de espesor. Ahora, toman el espagueti por un extremo, se lo ponen a la boca y lo empiezan a succionar hasta terminarlo (OJO: no vale morderlo, ni pasarlo, ni romperlo) [1]. A medida que el fideo va entrando en su cavidad bucal, la velocidad a la que lo hace disminuye, porque la boca está cada vez más llena, y la presión interna aumenta.

El proceso en los virus es similar: la boca será la cápsula viral, el fideo será el ADN y los labios que succionan el fideo serán la proteína motora de empaquetamiento dependiente de ATP o “translocasa”. Este video nos dará una mejor perspectiva de lo explicado:

Como pudieron ver, la presión interna de la cápsula viral aumenta y la velocidad de empaquetamiento disminuye a medida que el material genético va ingresando. Esto se debe a que el ADN del fago phi29 (protagonista del video), que mide 6.6 micrómetros (0.0066 mm) de longitud, debe entrar en una cavidad de sólo 0.00005 micrómetros cúbicos, provocando que la presión interna de la cápsula alcance el exorbitante valor de 60 atmósferas (la misma presión que soporta un submarino sumergido a 600 metros de profundidad) [2].

Entonces, la translocasa debe generar una fuerza lo suficientemente alta como para introducir el ADN en contra de dicha presión. Pero, ¿cómo podríamos calcular esta y otras fuerzas que gobiernan el mundo del ADN? La respuesta es manipulando cada una de estas biomoléculas individualmente.

La mayoría de los estudios fisicoquímicos, bioquímicos y termodinámicos de las moléculas elementales para la vida, han sido realizados en soluciones químicas con concentraciones que van desde el orden de las micromoles, hasta las nanomoles y picomoles. A pesar que suene a una cantidad sumamente pequeña, en una picomol podemos encontrar más de 600 mil millones de moléculas.

En otras palabras, la mayoría de las propiedades bioquímicas que conocemos a la fecha no son más que el promedio del comportamiento global de un gran número de biomoléculas. Sin embargo, muchas veces no representa lo que verdaderamente pasa si las analizamos una por una.

A fines de los 1980’s, un grupo de investigadores de la Universidad de Nuevo México, entre ellos el biólogo peruano Carlos Bustamante, desarrollaron una técnica para manipular y estudiar las moléculas individualmente. La técnica se basa en el uso de rayos láser a manera de pinzas (“pinzas ópticas”). Con ellas podían mover unas diminutas esferas que sujetaban moléculas de ADN pegadas por sus extremos, con el fin de estudiar sus propiedades mecánicas.

Imagen: io9.com

Gracias a esta técnica ahora sabemos que el ADN puede ser estirado y separado si le aplicamos una fuerza de 60 piconewtons (o la billonésima parte de la fuerza requerida para cargar una moneda de 50 centavos). También se pudo determinar que la velocidad de empaquetamiento en el fago phi29 es de 120 pares de base (pb) por segundo [4], lento en comparación a las 700pb/s del bacteriófago T4.

Entonces, para determinar la fuerza requerida para empaquetar el material genético de un virus, los científicos desarrollaron un ingenioso experimento. Primero, tomaron una molécula de ADN. Luego, un extremo lo unieron a la translocasa del fago phi29 pegado a una microesfera inmovilizada y el otro lo pegaron a otra microesfera sujetada por las pinzas ópticas. Finalmente, añadieron el ATP para iniciar el proceso y estiraron el ADN para medir la fuerza requerida para empaquetarlo.

Imagen: Morais et al. (2008) (5)

Con estos experimentos determinaron que las translocasas generaban una fuerza de 57pN, la cual era suficiente como para vencer la presión interna de la cápsula viral. Además, pudieron estudiar el proceso en forma detallada. Se observó que el ADN era empaquetado por pasos, en cada uno se introducía 10 pares de bases, seguido por una fase de estancamiento donde se introducían 4 ATPs a la proteína motora. Con estos datos se elaboró el siguiente modelo:

De esta manera, hemos visto como se lleva a cabo uno de los tipos de empaquetamiento de ADN viral [6].  Ahora, una de las clásicas preguntas que suelen aparecer es ¿por qué es importante saberlo? Bueno, entender de manera detallada este proceso permitirá desarrollar fármacos que bloqueen la función de las translocasas y así controlar ciertas infecciones virales como el Herpes, para el cual no existe cura.

Sin embargo, aún nos queda mucho por conocer, para ello el equipo del Dr. Bustamante está desarrollando técnicas de trepanación de cápsulas virales. ¿Qué, trepanación en virus? Sí, tal como en las antiguas culturas peruanas se perforaban los cráneos de los pobladores para observar y curar enfermedades cerebrales, los científicos pretenden perforar las cápsulas virales en pleno empaquetamiento para ver cómo se organiza el ADN dentro de ella. De seguro, muy pronto tendremos los resultados de estas investigaciones.

* Los cálculos se hicieron en base a la referencia #1. Se tomó como volumen de la cavidad bucal —descontando el volumen de la lengua— 20 centímetros cúbicos.

Referencias:
1.    L.R. Comolli et al. Virology 371, 267 (2008).
2.    D.E. Smith et al. Nature 413, 748 (2001).
3.    P. Gross et al. Nature Physics 7, 731 (2011).
4.    Y.R. Chemla et al. Cell 122, 683 (2005).
5.    M.C. Morais et al. Structure 1267 (2008).
6.    C. Bustamante et al. Cell 144 (4) 480 (2011).



Por David Castro, publicado el 26 enero, 2012
Categoría(s): Biología • Química

 

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