Vida y virus: ¿indisociables?

KNOWLEDGE ON THE EDGE 22 de diciembre de 2017

VIDA Y VIRUS: ¿INDISOCIABLES? ¿Qué es la vida?

Aunque las definiciones de “vida” han evolucionado continuamente, en paralelo al progreso de nuestro conocimiento en Biología y Química, principalmente, queda patente que ésta no es una cuestión exclusivamente científica. De hecho, históricamente, se ha desarrollado más en el marco de la filosofía y, si se nos permite, de la antropología, por lo del Homo sapiens y H. sapiens sapiens. En este sentido, las definiciones de vida predominantes se han fundamentado en antecedentes filosóficos de los científicos que han abordado la cuestión, así como en los antecedentes científicos de los filósofos. Como consecuencia, la respuesta a la pregunta ¿qué es la vida? siempre se ha dado en un marco filosófico e histórico particular.

Desde un punto de vista científico, “puro” por así decirlo, la difícil pregunta de ¿qué es la vida? fue planteada por Schrödinger hace ya unos sesenta años (Schrödinger 1944); y, aún hoy, sigue sin respuesta. Cuando Crick afirmó que él y Watson habían descubierto "el secreto de la vida", sugirió que "la vida es ADN", el cristal aperiódico. Es decir, una molécula que, sin ser un cristal, su estructura molecular puede ser estudiada por técnicas de cristalografía; esto había sido sabiamente predicho por Schrödinger, unos años antes del descubrimiento de la doble hélice.

Desde entonces, los reduccionistas y los holistas se han enfrentado al dar prioridad o no, respectivamente, al material genético o a la red metabólica para definir la vida. Por tanto, la respuesta a la pregunta primordial de qué es la vida no se puede abordar científicamente fuera del campo de la genética, y sin comprender la función de las proteínas que desarrollan la función vital.

Se han realizado muchos intentos para encontrar una definición de vida que podría ser operativa, no solo para la vida terrestre, sino para cualquier forma de "vida" presente en el universo; una definición que podría ayudarnos a reconocer una "vida" extraterrestre genuina, si la encontramos un día, allí fuera. Sin embargo, intentar establecer tal definición es una tarea sumamente difícil, al estar esencialmente sesgada por un prejuicio idealista, que recuerda incluso las ideas de Platón y Sócrates. Esto implica que la vida es una forma ideal; es decir, como si la vida que alcanzamos a entender no fuese más que la alegoría platónica de las "sombras proyectadas” de ese ideal.

Para simplificar el tema, muchos científicos ven razonable definir directamente la vida conocida; es decir, la vida como un fenómeno terrestre, una característica de los "organismos

1

vivos" terrestres. De hecho, no hay vida sin organismos vivos. Y a la vez, todos los organismos vivos, actualmente conocidos, están prosperando en el planeta Tierra. Esta simplificación debe poder hacerse más extensa, si algún día nos encontráramos con “amigos (¿vivos?)” de otro mundo, y, a su vez, no debe ser más compleja; es decir, se espera que las propiedades de esas formas de vida no terrestres, descubiertas o encontradas, sean comunes y compartidas por los organismos de nuestro planeta. Dicho de otra forma, que los fundamentos de la vida en nuestro planeta deberían ser los mismos en todo el universo.

Curiosamente, la NASA realizó sus primeros intentos de detección de vida extraterrestres a finales de los años setenta, con las misiones Viking, y dentro de nuestro Sistema Solar; concretamente, en Europa y otros "Mundos Oceánicos" similares. Esto “forzó” a la NASA a definir previamente qué es vida; estableciéndose que: "La vida es un sistema químico autosostenible capaz de la evolución darwiniana".

Es decir, la NASA incluye o considera las características específicas de la única vida que conocemos: la vida terrestre. En esta línea, no es de extrañar que los experimentos biológicos programados en las misiones Viking consistieran en buscar signos de metabolismo microbiano (Ezell y Ezell 1984).

Extremófilos: desde el impulso de la filogenia a modelos de vida extraterrestre...

Una de las formas vivas que sirven de ejemplo para la búsqueda de vida extraterrestre son los organismos vivos terrestres que viven en hábitats hostiles o extremos: los denominados extremófilos. Los extremófilos prosperan en nichos calientes extremos, en el hielo y en salinas; algunos pueden crecer en desechos tóxicos, solventes orgánicos y entre metales pesados; otros se han encontrado a profundidades de 6-7 km dentro de la corteza terrestre, a más de 10 km de profundidad en el océano, a presiones de hasta 110 MPa; en entornos ácidos extremos (pH 0) o bajo condiciones básicas extremas (pH 12,8); y desde respiraderos hidrotermales a 122°C a agua de mar congelada a -20°C. Para cada condición ambiental extrema que se ha investigado, hemos podido encontrar una variedad de organismos que, no sólo toleran estas condiciones, sino que a menudo las requieren para su supervivencia. Así, se clasifican de acuerdo con las condiciones en las que crecen: como termófilos e hipertermófilos (organismos que crecen a temperaturas altas o muy altas, respectivamente), psicrófilos (organismos que crecen mejor a bajas temperaturas), acidófilos y alcalófilos (organismos óptimamente adaptados a ácidos o valores básicos de pH, respectivamente), barófilos (organismos que crecen mejor bajo presión) y halófilos (organismos que requieren NaCl para el crecimiento). Además, estos organismos son normalmente poliextremófilos, y están adaptados para vivir en hábitats donde diversos parámetros fisicoquímicos alcanzan valores extremos. Por ejemplo, muchas fuentes termales son ácidas o alcalinas al mismo tiempo, y generalmente son ricas en contenido de metal; el océano profundo es generalmente frío, oligotrófico (muy bajo contenido de nutrientes) y expuesto a alta presión; y varios lagos hipersalinos son muy alcalinos. De hecho, resumiendo o de forma más general, los extremófilos se pueden dividir en dos grandes categorías: 1) organismos extremófilos que requieren una o más condiciones extremas para crecer; y 2) organismos extremotolerantes que pueden tolerar valores extremos de uno o más parámetros fisicoquímicos, aunque crecen de manera óptima en condiciones "normales".

Cabe destacar que los extremófilos son principalmente microorganismos (hay excepciones), e incluyen miembros de los tres dominios de la vida; es decir, bacterias, arqueas y eukarya. Una gran parte de estos microorganismos extremófilos son arqueas, si bien este grupo también incluye eucariotas, como protistas (ej.: algas, hongos y protozoos), y organismos multicelulares.

Por definición, la filogenética es la parte de la Biología evolutiva que se ocupa de determinar la filogenia; que consiste en el estudio de las relaciones evolutivas entre diferentes grupos de organismos a partir de la distribución de los caracteres primitivos y derivados en cada taxón, utilizando matrices de información de moléculas de ADN y de morfología. Con esta

2

información se establecen los árboles filogenéticos, base de la clasificación filogenética, y que surge gracias a la necesidad de descubrir la historia evolutiva de los organismos tras la publicación de “El origen de las especies” por Darwin en 1859.

Con respecto a los extremófilos, en general, se observa que su diversidad filogenética es alta y muy compleja de abordar. Esta complejidad queda patente al ver que algunos órdenes o géneros contienen sólo extremófilos, mientras que otras órdenes o géneros contienen tanto extremófilos como no extremófilos. Curiosamente, los extremófilos adaptados a la misma condición extrema pueden estar ampliamente dispersos en el árbol filogenético de la vida. Este es el caso de diferentes psicrófilos o barófilos, cuyos miembros pueden encontrarse dispersos en los tres dominios de la vida. También hay grupos de organismos pertenecientes a la misma familia filogenética que se han adaptado a condiciones extremas, o moderadamente extremas, muy distintas.

En las últimas décadas, el rápido desarrollo de las técnicas de biología molecular ha llevado a avances significativos en este campo de la filogenia, lo que nos permite abordar preguntas intrigantes sobre la naturaleza de los extremófilos con una precisión sin precedentes.

En particular, las nuevas tecnologías de secuenciación de ADN de alto rendimiento han revolucionado la forma en que exploramos la microbiología extrema, revelando ecosistemas microbianos con niveles inesperadamente altos de diversidad y complejidad.

Sin embargo, cabe recordar que un conocimiento profundo de la fisiología de los organismos en cultivo es esencial para complementar los estudios genómicos o transcriptómicos, y no puede ser reemplazado por ningún otro enfoque. En consecuencia, la combinación de métodos tradicionales mejorados de aislamiento y cultivo con técnicas modernas puede considerarse el mejor enfoque para una mayor comprensión de cómo los microorganismos sobreviven y funcionan en tales entornos extremos.

Así, el estudio filogenético de los extremófilos ha proporcionado, en los últimos años, descubrimientos pioneros que desafían los paradigmas de la biología moderna y nos hacen reflexionar sobre cuestiones tan intrigantes como: ¿Qué es la vida?, ¿cuáles son los límites de vida?, o ¿cuáles son las características fundamentales de la vida? Estos hallazgos han convertido el estudio de la vida en ambientes extremos en una de las áreas de investigación más interesantes, y pueden decirnos mucho sobre los fundamentos de la vida en nuestro planeta.

Es por esto, que los extremófilos son estudiados en profundidad en programas de astrobiología, con el fin de sentar las bases o protocolos de trabajo o exploración de vida extraterrestre para las misiones espaciales organizadas a tal efecto.

Comprender la biología de los extremófilos y sus ecosistemas permite desarrollar hipótesis con respecto a las condiciones requeridas para el origen y la evolución de la vida en otras partes del universo. Por ejemplo, los microorganismos descubiertos en núcleos de hielo recuperados a gran profundidad en el lago Vostok, y en otros lagos perennemente subglaciales de la Antártida, podrían servir como modelos para la búsqueda de vida en la luna de Júpiter, Europa. Los ecosistemas microbianos que se encuentran en ambientes extremos como el Desierto de Atacama, los Valles Secos Antárticos y el Río Tinto pueden ser análogos a formas de vida potenciales adaptadas a las condiciones marcianas. Del mismo modo, los microorganismos hipertermófilos presentes en fuentes termales, fuentes hidrotermales y otros sitios calentados por la actividad volcánica en áreas terrestres o marinas pueden parecerse a formas de vida potenciales existentes en entornos extraterrestres. Recientemente, la introducción de nuevas técnicas como la espectroscopía Raman en la búsqueda de signos de la vida utilizando organismos extremófilos como modelos ha abierto nuevas perspectivas que podrían ser muy útiles en astrobiología.

Charles Darwin y el origen de la vida Cuando Charles Darwin publicó “El origen de las especies” hace 150 años, evitó deliberadamente discutir el origen de la vida. Sin embargo, el análisis de algunos de los textos escritos por Darwin, y de la correspondencia que intercambió con amigos y colegas, demuestra

3

que daba por sentada la posibilidad de un surgimiento espontáneo de las primeras formas de vida. Como muestran las notas de las páginas que eliminó de sus cuadernos privados, ya en 1837, Darwin estaba convencido de que "la relación íntima de la vida con las leyes de la combinación química, y la universalidad de la última, hacen que la generación espontánea no sea improbable". Al igual que muchos de sus contemporáneos, Darwin rechazó la idea de que la putrefacción de compuestos orgánicos preexistentes podría conducir a la aparición de organismos. Aunque estaba a favor de la posibilidad de que la vida pudiera aparecer por procesos naturales a partir de compuestos inorgánicos simples.

Ilustración SciArt3D-FabLabULL. La Tierra sigue siendo nuestro único modelo para la constatación y definición de qué es la vida. La respuesta al origen de la vida en nuestro planeta implica entender todos los organismos vivos, por separado y en conjunto, su biodiversidad, su evolución o adaptabilidad, así como su extinción y supervivencia ante eventos extremos.

De hecho, la opinión de Darwin sobre el origen de la vida parece haber cambiado con el tiempo, sobre todo, si comparamos su observación original con la revisión de la misma en reediciones posteriores, como en la tercera edición de 1861 de “El origen de las especies”: “... no es válida la objeción de que la ciencia todavía no arroja luz sobre el problema mucho más elevado de la esencia o el origen de la vida”. Sin embargo, en un famoso párrafo de la carta enviada a Joseph Dalton Hooker, el 1 de febrero de 1871, afirmó que “a menudo se dice que todas las condiciones para la primera producción de un ser vivo están ahora presentes, lo que podría haber tenido alguna vez estado presente. Pero si (y oh, qué gran cosa) podríamos concebir en un pequeño estanque cálido con todo tipo de amoniaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad presente, que un compuesto de proteína se formó químicamente, listo para someterse a cambios aún más complejos. En la actualidad, ese asunto sería neutralizado al instante o absorbido, lo que no hubiera sido el caso antes de que se formaran criaturas vivas...”. Es decir, para Charles Darwin el origen de la vida era un tema que podía analizarse científicamente, incluso reconociendo él mismo que los tiempos no estaban maduros para este planteamiento.

En este sentido y resumiendo todas las ideas y conceptos, quizá una formulación acertada de la “química darwiniana de la vida” es la que plasmó Joyce en 1994: "La vida es un sistema químico autosuficiente capaz de experimentar una evolución darwiniana."

No hay que olvidar que las definiciones darwinianas siempre han sido muy influyentes, dando forma no solo a nuestras ideas de lo que es la vida, sino también de lo que reconocemos como su origen. Así, y según la propia definición darwiniana, el origen de la vida es el mismo que el origen de la evolución (darwiniana).

4

Vida y virus Teniendo esto en cuenta, la definición de vida propuesta en el siglo XIX por Frederich Engels, en su libro póstumo “Dialéctica de la naturaleza”, se adapta muy bien al concepto de química darwiniana vital. Engels postuló en 1883 que "la vida es el modo de existencia de los cuerpos albuminoides". Para su época, esta era una idea profética, al enfocar la definición de vida en proteínas (albuminoides); más aún, teniendo en cuenta que la naturaleza real, la diversidad y el papel de las proteínas eran prácticamente desconocidos en ese tiempo.

A primera vista, una versión más moderna de esta definición “engelsiana” podría ser: "la vida es el modo de existencia de las macromoléculas funcionales portadoras de información (proteínas y ácidos nucleicos)". Sin embargo, el término "cuerpos albuminoides" llegaría aún más lejos. Los cuerpos albuminoides podrían traducirse, hoy en día, como "una entidad física basada en moléculas orgánicas, moléculas que son producidas por entidades vivientes; es decir ... un organismo". En este sentido, la vida sería el modo de existencia de los organismos vivos, basado en las funciones o tareas desempeñadas por sus moléculas.

Por tanto, si consideramos la vida terrestre actual, se podría concluir que "la vida es el modo de existencia de organismos ribosómicos y codificadores de cápsides (“ribosomal and capsid encoding organisms; REO and CEO").

Sin embargo, una definición de vida completa, o más completa, debería integrar también la vida terrestre ancestral o primigenia (los predecesores a los organismos REO y CEO), especialmente en el marco de las discusiones sobre el origen de la vida. En consecuencia, la pregunta primordial sería: ¿Qué es un organismo vivo? Y aquí entrarían en juego claramente los microorganismos ancestrales, situados al borde de la vida prebiótica o los primeros “bióticos”.

En este contexto, tenemos que recordar al gran virólogo francés y Premio Nobel, André Lwoff (1967), quien propuso que "un organismo es un sistema integrado de estructuras y funciones interdependientes". Como, por el momento, la única forma materialista de definir la vida es partir de los objetos que exhiben esta propiedad extraordinaria, es decir, estar vivo (o haber estado vivo, una vez que esos objetos están muertos); es obligatoria la siguiente pregunta: ¿Están vivos los virus?

La respuesta a esta pregunta “viral” ha variado en el tiempo, según nuestro conocimiento sobre virus y nuestra definición de vida. En las últimas décadas, la respuesta ha sido a menudo negativa, y los virus han sido usualmente relegados a la periferia del mundo de los seres vivos, siendo considerados principalmente como curiosidades "peligrosas": agentes patógenos.

Incluso se los ha considerado como subproductos de la vida celular, que, probablemente, se originaron como genes “escapados” de organismos celulares.

Sin embargo, esta situación está cambiando rápidamente, gracias a los avances generales en Biología Molecular (genómica y posgenómica), que están contribuyendo a revisar la posición de los virus en el “mundo de los vivos”. Es tanto el avance, que se están definiendo nuevos órdenes virales, como el de los Megavirales (que engloba a los megavirus; más ancestrales incluso que las arqueobacterias), entre los seres vivos, además, de Bacterias, Arqueas y Eucariotas. Tanto es así, que actualmente los virus están en el centro de muchos debates sobre la evolución temprana de la vida en nuestro planeta y su origen (Forterre 2002, 2005, 2006, B; Brosius 2003; Bamford 2003; Bamford et al., 2006; Claverie 2006; Koonin et al., 2006; Ryan 2007; Raoult y Forterre, 2008).

Las partículas virales son las entidades biológicas más abundantes en la biosfera Recientemente se ha observado que las partículas virales (o viriones) son, con mucho, las entidades biológicas más abundantes en nuestro planeta (Suttle 2007). De hecho, son diez veces más abundantes que las células bacterianas en el océano superior. Esto se ha deducido, en los años noventa, del examen de muestras de agua por microscopía electrónica o microscopía

5

óptica de epifluorescencia. Más recientemente, la abundancia y diversidad de virus ha sido confirmada por la cantidad y diversidad de sus genes secuenciados en estudios metagenómicos (Edwards y Rohwer 2005).

El hecho de que los virus sean más abundantes que sus posibles “dianas” a infectar (células, hongos, arqueas, bacterias, plantas, animales e incluso otros virus) no es sorprendente, ya que, cada especie celular puede ser infectada por muchas especies virales diversas (como sabemos muy bien en el caso de nuestra propia especie humana). Cabe recordar que la infección de una sola célula siempre produce una gran cantidad de partículas virales, miles, millones, en contraposición al virus fundador. Por tanto, es lógica la estimación de que en la Tierra deben existir unos 10 quintillones (1031) de tipos de virus. Así, un estudio, publicado en la revista Nature en 1996, ha permitido crear el primer mapa global de los virus del planeta. Este viroma terrestre tiene algunas particularidades interesantes de analizar, como el hecho de que, tras analizar miles de muestras de virus, en animales, plantas o en suelo, se observa que la mayor diversidad viral se produce principalmente en dos ambientes bien diferentes: los océanos y el ser humano.

De hecho, de este y otros estudios, se puede concluir claramente que los virus son las entidades biológicas más ubicuas, abundantes y diversas del planeta.

Ilustración SciArt3D-FabLabULL. Gracias a las nuevas tecnologías de secuenciación de ADN, hemos descubierto que, además de la especie humana, los océanos de nuestro planeta son una fuente inagotable de nuevas especies virales. Se estima que en el planeta pueden existir del orden de 10 quintillones de virus distintos, determinando o condicionando la evolución génica y diversidad de las distintas especies con los que interaccionan o podrían interaccionar.

No es de extrañar, por tanto, que la ecología de los virus, su función en los principales ciclos geoquímicos y en el control de la diversidad de la población sean ahora áreas de investigación activas y en auge en grandes campos como la Virología, la Biología, la Astrofísica y la Astrobiología.

La naturaleza de los virus: dificultades para su comprensión Durante mucho tiempo, los virus han sido definidos por sus viriones; es decir, por las partículas virales producidas durante la infección. La confusión entre el virus y el virión es aún evidente, tanto en los medios (el virus del SIDA en la televisión se muestra como una esfera con picos: que es el virión que no están en ciclo infectivo), como en la literatura científica (cuando se afirma que los virus son diez veces más abundantes que las bacterias en el océano, nos referimos a que las partículas virales son diez veces más abundantes; de nuevo, las formas no activas o no en replicación). Como consecuencia de esta confusión, los virus se definieron primero como entidades simples. Por

6

ejemplo, con un solo tipo de ácido nucleico, como en la famosa definición de André Lwoff (1957); es decir, sin ninguna actividad metabólica.

Dado que algunos viriones pueden cristalizar, los virus se consideraron como entidades moleculares (no celulares); pero no esto no es así. Los virus se manifiestan activos en el contexto celular secuestrando o usurpando las funciones intracelulares para crear nuevos viriones. Así, muchas definiciones de la vida, a la hora de determinar qué está vivo o no, se basan en la teoría celular: "Omniae cellula e cellula". Por ejemplo, en su conferencia Nobel, André Lwoff escribió "un organismo está constituido por células" (Lwoff 1967). Por tanto, los virus no se clasificaron como organismos vivos, a pesar de que los virus se manifiestan intracelularmente.

Esta confusión al hablar de virus y virión fue criticada, por vez primera, por Claudiu Bandea en 1983. Bandea considera que la fase intracelular del ciclo de vida del virus es la fase de virus ontogénicamente madura. Es decir, como escribió en un documento histórico: "en esta fase, el virus muestra las principales propiedades fisiológicas de otros organismos: metabolismo, crecimiento y reproducción. Por lo tanto, “la vida es una presencia efectiva en el virus”.

La propuesta de Bandea, sin embargo, fue ignorada hasta hace poco, cuando el descubrimiento del mimivirus gigante, por Didier Raoult y sus colegas (La Scola et al., 2003; Raoult et al., 2004), centró la atención de los virólogos en una estructura única intracelular, generada por los mimivirus, denominada la fábrica o factoría viral.

Estos virus gigantes eucariotas, replican en el citoplasma en el interior de estas fábricas virales, que funcionan como un verdadero núcleo “celular”; es decir, que es un núcleo activo viral, muy complejo, que permite replicar el genoma y producir viriones infectivos nuevos (Novoa et al., 2005; Miller y Krijnse-Locker, 2008). Las fábricas virales del mimivirus son espectaculares, alcanzando un tamaño similar o mayor al del núcleo de la célula huésped que ha infectado; como el de la ameba Acanthameba polyphaga (Suzan-Monti et al., 2007). De hecho, un virión naciente de mimivirus, generado en estas factorías, es en sí mismo mucho más grande que todas las partículas víricas conocidas hasta el momento, de tamaño comparable al de células pequeñas, como los micoplasmas bacterianos, y siendo incluso visible bajo el microscopio óptico. Recordando las palabras de Jean-Michel Claverie, “la fábrica viral correspondería al organismo viral real, mientras que el virión corresponde al mecanismo utilizado por el virus para propagarse de una célula a otra”. Así, confundir virión con virus es lo mismo que confundir un espermatozoide con un ser humano (Claverie 2006), o la semilla con la planta que alberga. Es decir, que el virus, la factoría viral, es un ente vital en sí mismo.

Los virus son antiguos y han jugado un papel importante en la evolución biológica Como expusimos al comenzar este artículo sobre el concepto “vida, igualmente ocurre con la pregunta ¿Están vivos los virus? Es decir, suele ser una pregunta filosófica con respuesta igualmente filosófica; lo que significa que, en último o primer término, es nuestra decisión decidir si los virus son entidades vivientes o no.

Para un número creciente de evolucionistas y virólogos, científicamente los virus deben considerarse entidades vivientes, ya que exhiben todas las características típicas de la vida terrestre: están hechos de las mismas macromoléculas que las células de arqueas, bacterias o eukarya, y han evolucionado conjuntamente con miembros de estos tres dominios, según el esquema de la evolución darwiniana. Además, el reciente descubrimiento de que la fábrica de viriones del mimivirus puede ser infectada por otro virus (el virófago Sputnik), ha añadido un nuevo argumento a favor de la naturaleza viva de los virus (“sólo los organismos vivos pueden enfermarse”; La Scola et al. 2008, Pearson 2008). Es decir, esto implica que biológicamente los virus sputnik necesitan infectar mimivirus para perpetuarse y subsistir.

Finalmente, considerar los propios virus como organismos celulares reconcilia la idea de que los virus viven con la definición clásica de organismos vivos como organismos celulares (Lwoff 1967). Para tener en cuenta la idea de que los virus representan una forma de vida genuina, Didier Raoult y Forterre (2008), propusieron dividir el mundo vivo en dos grandes grupos de

7

organismos: 1) organismos codificadores de ribosomas, como los descendientes de LUCA, arqueas, bacterias y eukarya; y 2) organismos que codifican la cápside, es decir, los virus.

Como lo acabamos de nombrar, nos gustaría hacer un pequeño apunte sobre “el último antepasado común universal, o el último antepasado celular universal” (LUCA) y los virus.

Hasta hace poco, LUCA sería, por tanto, el último ancestro común de arqueas, bacterias y eukarya. En consecuencia, si consideramos la abundancia planetaria de los virus y sus funciones, la existencia omnipresente de virus que infectan a los miembros de los tres dominios celulares sugiere fuertemente que el linaje celular de LUCA y los otros linajes celulares, que vivían en ese momento, ya eran víctimas de ataques virales.

De hecho, es probable que los virus se originaran antes de LUCA, cuando las células todavía tenían genomas hechos de ARN y no de ADN. Así, se postula que el ADN, que es una forma de ARN modificada químicamente, podría haber aparecido solo después de la aparición de proteínas complejas capaces de modificar el ARN (Forterre 2005). Si los virus ya estaban presentes en la biosfera cuando vivía LUCA, uno esperaría encontrar algunas características comunes entre los virus que infectan miembros de diferentes dominios. Y este es precisamente el caso. En particular, algunos arqueovirus, bacteriovirus y eucariotas comparten proteínas de cápside homólogas y ATPasas para el empaquetamiento de proteínas; lo que sugiere que todas evolucionaron a partir de un virus común que existía en el momento de LUCA, e incluso antes (Bamford 2003; Baker et al., 2005; Bamford et al., 2006; Krupovic y Bamford, 2008). Basándose en características homólogas de sus viriones (definidas como el "yo" del virus por Dennis Bamford), ya ha sido posible identificar tres linajes virales principales que probablemente se originaron independientemente antes de la época de LUCA (Bamford et al., 2006).

Los virus son por lo tanto muy antiguos, y la virosfera ancestral terrestre, probablemente, ya era diversa y abundante en el momento de la aparición de LUCA. Para explicar por qué los virus modernos son claramente diferentes de un dominio a otro (como se observa en virus de archaeas), se ha sugerido que las tres poblaciones ancestrales de organismos celulares, en su origen, debieron seleccionar aleatoriamente, “al nacer”, tres partes diferentes de la virosfera ancestral (Prangishvili et al. 2006). La presencia de algunos virus de origen común, en las tres virosferas seleccionadas, explicaría la presencia de homologías entre algunos virus que infectan los diferentes dominios celulares: bacteria, archea y eukarya (“clasificación biológica” propuesta por Carl Woese et al., 1977).

La idea de que los virus son muy antiguos y han evolucionado conjuntamente con los tres linajes celulares, desde la época de LUCA e incluso antes, ha generado varias hipótesis que plantean que los virus han desempeñado un papel importante en varias transiciones evolutivas críticas.

Por ejemplo, se sugirió que: i) las maquinarias de replicación de ADN y ADN se originaron en el mundo viral (Forterre 1999; Villarreal y DeFilippis 2000; Forterre 2002); ii) que la transición de “células ARN”, inducidas por virus con genomas de ARN, a “células con genomas de ADN” desencadenó la emergencia de los tres dominios celulares (Forterre 2006); iii) que el núcleo de células eucariotas se originó de un gran virus de ADN (Takemura 2001; Bell 2001); o incluso que, iv) la presión de selección para evitar la entrada de viriones promovió la evolución de las paredes celulares (Jalasvuori y Bamford 2008).

Todas estas hipótesis no son fácilmente comprobables, pero los hallazgos recientes las hacen razonables. De hecho, se ha demostrado que las proteínas celulares que juegan un papel muy importante en los organismos modernos pueden tener un origen viral. Por ejemplo, los análisis filogenéticos han revelado que las enzimas ARN polimerasa, ADN polimerasa y ADN helicasa, que transcriben y replican el ADN en las mitocondrias modernas, se reclutaron a partir de un virus que se integró originalmente en el genoma de la bacteria que dio origen a las mitocondrias (Filée y Forterre 2005). Más recientemente, se ha demostrado que la placentación en mamíferos se inicia con una proteína, la sincitina, codificada por un retrovirus integrado en cromosomas de mamíferos (De Parseval y Heidmann 2005; Prudhomme et al., 2005). Hay muchos otros ejemplos de la función que los virus han desempeñado en la evolución celular

8

reciente (revisado en Ryan 2007, Brosius 2003, Villarreal 2005). Así, se ha dicho que "la interacción del huésped con un retrovirus, retrotransposones y retroelementos es uno de los conflictos eternos que impulsan la evolución de la vida" (Brosius 2003). Prangishvili y Forterre (2009) han ampliado recientemente este argumento, concluyendo que el conflicto, la interacción entre células y virus, ha sido y sigue siendo el principal motor de la evolución de la vida.

Virus y darwinismo: revisitando el dogma Cuando Charles Darwin hace referencia al origen de las especies (1859), los virus estaban aún por descubrir. No fue hasta 40 años después de la publicación de su obra, que el concepto de “virus” fue propuesto por vez primera. Y ha tenido que pasar un siglo para que los avances en la investigación viral nos hayan proporcionado una clara comprensión de la composición genética de viriones, y de cómo los virus replican y causan enfermedad. Lógicamente, y como hemos comentado en el aparatado anterior, el hallazgo más inesperado ha sido el descubrimiento conceptual de los virus como fuerza evolutiva; como lo atestigua la acumulación de evidencias genéticas e inmunológicas de las antiguas batallas co-evolutivas entre virus y sus huéspedes.

La familia de los retrovirus, llamada así por presentar estos virus la información genética en cadenas de ARN, es un ejemplo de persistencia genética en el huésped y de flujo de información vital único y distinto al celular. Así, una vez que un retrovirus ha infectado una célula, su genoma de ARN se replica o se transcribe de forma inversa en ADN. Éste ADN proviral se integra en el genoma de la célula infectada, de modo que se copia cada vez que la célula infectada se divide. Este es un ejemplo claro de cómo el flujo de información transcurre de forma contraria al que muestran las células: la información genética fluye del ARN al ADN, contrariamente a las células eucariotas, donde la información fluye del ADN al ARN. Tal integración retroviral, en forma de provirus ADN, explica por qué algunas infecciones virales como la del VIH (agente causante del SIDA) o del virus linfotrófico T humano (causante de leucemia en células T o encefalopatías) son, en esencia, infecciones persistentes de por vida.

La secuenciación del genoma humano ha revelado que la integración retroviral ha estado en curso durante millones de años. Los genomas humanos, y los de otros mamíferos, están llenos de elementos similares a los de los retrovirus como restos de la integración del virus. Afortunadamente, la mayoría se han vuelto defectuosos y ya no son competentes para la replicación y, a menudo, son considerados “ADN basura”. Sin embargo, investigadores, como el profesor Heeney, los consideran huellas o “fósiles virales”, ganando relevancia gracias a los estudios de regulación génica por interferencia de ARN que, no sólo indican que no es basura, sino que regulan todo el genoma conocido, planteándose ya la urgencia de dar un nombre a este genoma, desconocido por nosotros, repleto de retroelementos.

Con toda seguridad, Darwin se llevaría una sorpresa si intentara conciliar su idea revolucionaria (propuesta en 1871 en "The Descent of Man”), que plantea que humanos y simios comparten un ancestro común, con la existencia de virus integrados en nuestro genoma y en el de los simios, y analizara las similitudes y las diferencias respecto de las secuencias de ADN viral encontradas, y que, en muchos casos, apoyan la idean del ancestro común, pero que en otros casos no substentaría esta idea de evolución lineal de una especie a otra.

Hasta hace poco, la existencia de retroelementos en nuestro genoma no parecía afectar al darwinismo, conceptualmente hablando, ya que la información más reciente disponible sobre la historia y el curso de las enfermedades humanas, como la viruela y el tifus, provenía del estudio de momias de no más de cuatro mil años de antigüedad. Y como es lógico, no es posible argumentar sobre la evolución humana en términos de infección viral con estas muestras, ya que implicaría ceñirse a este lapso” tan corto” de tiempo. Sin embargo, integrar la co-evolución viral en la teoría de Darwin tiene mucho sentido, al observar que los humanos comparten la mayoría de esos fragmentos virales integrados con sus parientes los chimpancés y los monos. Y en miles de lugares, a lo largo de nuestro genoma. Y esto no puede ser una mera coincidencia.

Por tanto, hace pensar que los humanos y los chimpancés han soportado un número

9

incalculable de infecciones virales idénticas, en el transcurso de millones de años, y terminado exactamente en el mismo lugar dentro de cada genoma.

Como los peldaños de la escalera del ADN humano consisten en tres mil millones de pares de nucleótidos, distribuidos en cuarenta y seis cromosomas, y como sabemos que las secuencias de esos nucleótidos determinan cómo cada persona difiere de otra, y de todos los demás seres vivos, la única forma en que los humanos, en miles de ubicaciones aparentemente aleatorias, puedan poseer el ADN retroviral exacto al encontrado en otra especie, es que lo hayan heredado de un ancestro común a ambas especies. Estas secuencias virales, sin duda alguna, representan una valiosa fuente de evidencia retrospectiva sobre la historia evolutiva de los virus, y han dado origen a la ciencia de la paleovirología. De hecho, por su abundancia, presencia y similitud entre especies relacionadas evolutivamente, se postula actualmente que los virus han sido una fuerza evolutiva en este planeta con toda seguridad.

Evolución de la resistencia a virus: una prueba clara de la importancia evolutiva de los virus Como consecuencia de los miles de años de batalla evolutiva, entre el huésped y los virus, nuestros cuerpos han desarrollado diversos mecanismos para bloquear o paralizar los virus que tienen el potencial de amenazar la supervivencia de nuestra y de otras especies. El conocimiento de estos procesos y de la evolución de tales defensas frente a los virus, y de los virus frente a su huésped, proporciona una nueva percepción de la co-evolución de especies y virus.

Gracias a los trabajos de Dawkins o de Daniel Dennett, entre otros, hemos llegado a comprender que el asombroso poder de la selección natural, a menudo referida como la mejor idea en la historia de la ciencia, radica en la pura elegancia de la forma en que tales principios simples han generado la increíble complejidad de la vida. A partir de dos nociones elementales: mutación al azar y el poder de adaptación al medio ambiente, han surgido tras milenios maravillas como los globos oculares, las alas de las aves y el cerebro humano. Sin embargo, la epigenética sugiere que esta historia no es tan simple.

Si lo que le sucede a un ser vivo a lo largo de su vida (ej.: vivir hacinado en un gallinero que induce estrés, o ingerir en exceso una dieta inadecuada), puede afectar inmediatamente a la forma en que sus genes se expresan, heredándose además estos cambios en las generaciones futuras, la versión absolutamente simple de la selección natural comienza a parecer cuestionable. En lugar de que los genes simplemente "ofrezcan" una mezcla heterogénea de rasgos en cada nueva generación, que luego resultan adecuados o inadecuados para el medio ambiente, parece que el medio ambiente juega un papel en la expresión de esos rasgos en las generaciones futuras, aunque el entorno sólo actúe o afecte en un corto plazo de tiempo y de forma aparentemente reversible.

Curiosamente, el zoólogo pre-darwiniano Jean-Baptiste Lamarck, intuyó este aspecto; por cuyas propuestas e intuición fue despreciado. Lamarck sostenía que, por ejemplo, las jirafas tienen el cuello largo, porque sus antepasados estaban "obligados a hojear las hojas de los árboles, y a hacer esfuerzos constantes para alcanzarlos”. Es decir, que “el estilo de vida podría influir en la herencia” como proponía el propio Lamarck.

Hoy sabemos, gracias a la epigenética, que estos planteamientos son válidos. De hecho, la epigenética es la razón más clara por la cual la “comprensión popular” de la evolución podría necesitar una revisión, pero no es la única. Sabemos ahora, como hemos comentado anteriormente, que gran parte del genoma humano consiste en virus (retrovirus) o materiales similares a virus (retroelementos), lo que hace pensar que llegaron allí a través de la infección en los años de evolución de nuestra especie; lo que significa que la selección natural actúa no sólo sobre mutaciones aleatorias en nuestro genoma, sino que viene también condicionada por la información de nuevas secuencias génicas que se introducen directamente en diferentes sitios del genoma, y que provienen de otras especies.

En relación con esto, hay una creciente evidencia, a nivel de microorganismos, de que los genes se transfieren no solo verticalmente, desde antepasados hasta padres y descendientes,

10

sino también horizontalmente, entre organismos iguales y distintos; y esto es gracias a la capacidad de viriones y virus de infectar e interaccionar con las diferentes especies.

Los investigadores Carl Woese y Nigel Goldenfield concluyen que, en promedio, una bacteria puede haber obtenido el 10% de sus genes de otros organismos de su entorno; donde, una vez más, los virus juegan un papel central como elementos que mueven y combinan el genoma en una misma especie y entre especies distintas. Es decir, los virus son elementos móviles de información genómica, con funcionalidad y capacidad de adaptación al medio terrestre. ¿Lo serán también al extraterrestre?...

Ilustración SciArt3DFabLabULL. Lamarck planteó que en la evolución de las especies la adaptabilidad rápida, en el tiempo evolutivo, a las condiciones del medio generaba cambios morfológicos y funcionales irreversibles en las especies, para asegurar su adaptación al medio y condicionando a las mismas. Como él mismo postulaba, a modo de ejemplo, con el cuello de las jirafas.

Hoy en día, sabemos, gracias a las técnicas de secuenciación y de estudios genómicos, que nuestra forma de vida, en un tiempo corto de nuestras vidas, induce cambios en el ADN por metilación, y en las moléculas asociadas al control de expresión génica, condicionando el funcionamiento correcto o anómalo de nuestras células y tejidos, siendo este cambio epigenético heredable.

Buenas razones para no excluir a los virus del árbol evolutivo de la vida Como hemos anticipado, algunos científicos presentan una visión conservadora, dogmática y devaluada de los virus y su función a lo largo de la evolución. Según ellos, excluyendo al tándem virión/virus del escenario, se comprende todo con lo que sabemos.

Lo que no deja muchas esperanzas para que la futura generación de científicos modifique significativamente el escenario dominante sobre el origen de la vida en nuestro planeta: el “árbol de la vida” está firmemente plantado (aunque aún no arraigado) en cualquier terreno científico, y, bajo estas premisas, ninguna forma viral formará parte de él.

Afortunadamente, la historia de la ciencia nos muestra repetidamente que una postura tan perentoria, la actitud de "lo sabemos todo", a menudo, es seguida por un profundo cambio de paradigma, como bien lo define y desarrolla Thomas Kuhn (The Structure of Scientific Revolutions; University of Chicago Press, Illinois, 1996). En este sentido, por ejemplo, las características únicas de los virus gigantes o giruses (del inglés, “giant viruses”) deberían

11

desencadenar una reevaluación del concepto de "virus" y de la función que podrían haber tenido en la evolución temprana de las células eucariotas (Claverie 2006).

Para alentar a los evolucionistas más jóvenes a desafiar la visión tradicional, aquí se presentan una serie de buenas razones para considerar al tándem virión/virus en los estudios del origen de la vida y de la evolución de las especies en nuestro planeta: 1.-si los virus no están vivos, ¿cómo deberíamos considerar a las bacterias y esporas parasitarias?

Para exacerbar la diferencia entre los virus y los organismos celulares, muchos científicos se centran en el estado "virión" de los virus mínimos (como los virus de ARN o retrovirus), en comparación con las bacterias de "vida libre", en un estado metabólicamente activo. Esta comparación no debería considerarse válida o justa. Los viriones deberían ser comparados con esporas bacterianas que son metabólicamente inactivas y que, a pesar de su similitud fenotípica con los viriones, sí se les considera formas de vida. En este debate conceptual, es justo comparar estados equivalentes, como la etapa de replicación de un virus gigante con la de una bacteria parásita obligada. Sin embargo, a pesar de su incapacidad para replicar fuera de un huésped, nadie parece dudar del hecho de que Rickettsia, Buchnera o Carsonella ruddii, con un genoma de 160 kb y que carecen de muchos genes considerados esenciales en bacterias, sí se les considera entidades vivientes. En algún momento, tendremos que enfrentar la paradoja de que a pesar de que la "vida" es un concepto de todo o nada, los organismos "vivos" abarcan un continuo de autonomía y complejidad, en el que los giruses o grandes virus de ADN se superponen en gran medida con las bacterias más pequeñas.

2.-El significado moderno de la palabra virus fue heredado de su descubrimiento por Louis Pasteur y su equipo, al obtenerse a partir de muestras infectadas tras ser filtradas a través de un filtro de porcelana de Chamberland (en honor a su colaborador Charles Chamberland); siendo denominado el proceso como “filtrado de agentes infecciosos”. Por lo tanto, se centró en las partículas virales o viriones. Sorprendentemente, todavía utilizamos esta palabra que se acuñó hace más de un siglo, sin tener en cuenta la diversidad de estrategias de replicación que se encuentran posteriormente en el mundo viral, como se resume, por ejemplo, en la clasificación de Baltimore. Tras la caracterización de los Mimivirus, se ha propuesto el nuevo término giruses para enfatizar la propiedad única (y, tal vez, el origen evolutivo) de los grandes virus de ADN (Claverie et al., 2006). Preguntarse si los virus, como un todo, deben formar parte del árbol de la vida, no tiene mucho o ningún significado científico. Sin embargo, asociarlos a las raíces reticuladas subterráneas de un "bosque de vida" sería una indagación o pregunta científica legítima.

3.-El 86% de los genes de los Mimivirus y de otros giruses no se parecen en nada a ningún otro gen descrito celular (procariota o eucariota). La existencia de tales genes únicos, de origen inexplicable, debería advertirnos de que la imagen dominante actual del origen evolutivo de la vida podría ser fundamentalmente incompleta (curiosamente, los astrofísicos tienen un problema similar al observar la inmensidad del universo y la gran variedad de cuerpos celestes existentes). No podemos seguir afirmando que los virus adquieren o adquirieron sus genes de las células, y, por otro lado, observar que la mayoría de sus genes carecen de homólogos celulares.

4.-Los distintos tipos de virus presentan diversos orígenes evolutivos, de forma que intentar integrarlos evolutivamente es muy difícil o resulta imposible. De hecho, los giruses como los Mimivirus presentan, además, su propia historia evolutiva.

5.-El origen de los virus podría haber precedido a la divergencia de los tres dominios celulares aceptados hoy en día, explicando así la presencia de genes parecidos en el genoma de bacterias, archaeas y eukarya (Claverie 2006). Así, por ejemplo, si nos fijamos en el gen que codifica para la proteína “Factor de Liberación clase I (RFI, por sus siglas en inglés)”, que participa en la

12

terminación del proceso de traducción del genoma de mimivirus y de otros giruses (Jeudy et al., 2012), éste está presente en células eucariotas (eRFI) y arqueas (aRFI), pero no en bacterias.

Lo más interesante es que el gen tiene un mecanismo de autorregulación que sólo ha sido descrito en bacterias, justamente dónde no se encuentra. ¿Cómo hicieron estos giruses para combinar en un mismo gen una región típica de las arqueas y eucariotas con otra región típica de las bacterias? Por otro lado, e igualmente misterioso, se observa que el genoma del mimivirus codifica para cuatro enzimas que unen un aminoácido (Arginina, Cisteína, Metionina o Tirosina), con su respectivo ARN de transferencia (ARNt sintetasa), todos funcionales en las fases de replicación viral (Legendre et al., 2010). Es decir, funciones que sólo se esperarían encontrar en células, pero que están presentes en este virus ancestral y funcional.

6.-La evolución reductiva del genoma es un proceso evolutivo que ocurre comúnmente en los parásitos, y que podría ocurrir en estos virus ancestrales también. Es decir, para explicar la presencia de los genes descritos en los virus gigantes en el punto anterior, se barajan dos posibles escenarios científicos: i) una masiva transferencia horizontal de genes (THG) entre el huésped (o sus parásitos intracelulares) y el virus que lo infecta; o ii) por evolución reductiva genómica de un ancestro celular más complejo.

Todo hace indicar que es bastante improbable que todos los genes relacionados con la maquinaria de traducción presente en mimivirus y otros giruses hayan sido adquiridos por THG; por lo que la segunda hipótesis sería la más probable. Así, y según la hipótesis de la evolución reductiva genómica, el ancestro más antiguo de los giruses podría haber sido un organismo celular complejo que habitaba (ya sea como parásito o como endosimbionte) dentro de otro organismo mucho más grande. Con el tiempo, se volvió cada vez más dependiente de su anfitrión y perdió gradualmente los genes esenciales para vivir por sí mismo, llegando al punto de verse forzado a usar la maquinaria de traducción y replicación de su célula huésped.

Sin embargo, estudios filogenéticos, indican que los giruses son anteriores a células procariotas y, por tanto, a las eucariotas. Es decir, que el segundo punto, no sería por adaptación a un huésped al que infecta.

En este sentido, el estudio filogenético comparativo de dos genes altamente conservados, presentes en distintos organismos e incluyendo a los giruses, y la reconstrucción del árbol filogenético (una representación gráfica que muestra la relación evolutiva entre distintos organismos) generado con cada uno de los genes, indica que el origen de los virus gigantes puede estar o bien en la raíz del dominio de los Eucariotas o bien fuera de él (Legendre et al., 2012). Es decir, es distinto y anterior al de las células con núcleo. Igual resultado se ha descrito al comparar la secuencia de la ARNt sintetasa presente en Megavirus con el de otras especies (Arslan et al., 2011). Por tanto, la separación temprana del ancestro primitivo de los virus gigantes de ADN o giruses sugiere que podrían formar parte de un cuarto dominio en el árbol de la vida, estando dotados de muchas propiedades similares a las de las células parasitarias y a las de otros tipos de celulares.

7.-Los giruses son de difícil encaje en el árbol de la vida, simplemente porque su raíz o representación filogenética no representa adecuadamente la relación evolutiva de los organismos vivos en nuestro planeta; pero, mantiene su propia organización y con genes ancestrales que comportan funciones de vida (Doolittle y Bapteste 2007).

8.-El virus gigante sputnik es el primer virus descrito que no precisa colonizar una célula procariota o eucariota para replicar y expandirse. De hecho, se vale de otro virus gigante para ello. Sputnik consta de 21 genes y vive como un satélite de un mimivirus (de ahí su nombre, en recuerdo al primer satélite puesto en órbita terrestre de la historia). Los virus sputnik se desarrollan en la “factoría viral” que los mimivirus generan, a modo de un nuevo núcleo, en el interior de las amebas que infectan (Desnues et al. 2012). El virus sputnik es el primero de una nueva familia de virus: los “virófagos” o comedores de virus; se le considera un virus vivo.

13

Para finalizar, nos gustaría acabar con unas palabras de Forterre que orientan, con ciertas premisas, los programas de estudio de la vida: “aunque la definición de vida es una cuestión filosófica, la elección de una definición tiene un gran impacto en la definición de programas científicos.

La definición de vida propuesta aquí implica que el objetivo de la Biología debe ser explorar y comprender exhaustivamente (mediante la combinación de enfoques reduccionistas e integradores) el modo de existencia de los organismos vivos y comprender su historia (la evolución es la piedra angular de la Biología). Sobre todo, un programa para estudiar "el origen de la vida" debería centrarse en buscar, teórica y experimentalmente, los mecanismos que condujeron al surgimiento de los primeros organismos vivos en nuestro planeta”.

Por tanto, no podemos hacer otra cosa que preguntarnos si es indisociable el fenómeno de la vida de los virus, al menos, en la Tierra…

Comentario

Darwin contribuyó a generar un debate sobre el mito de la Biblia y las ideas de Aristóteles, y trató de devolver la historia de la vida al dominio de la ciencia. Al mismo tiempo, creó un contexto cultural y religioso, una especie de batalla científica contra la creencia que oscurece el conocimiento. De hecho, en Gran Bretaña y en los Estados Unidos de América se le venera como un ícono de la ciencia contra los religiosos oscurantistas o los creacionistas (Raoult 2008 y 2010). La expresión de la idolatría de Darwin alcanzó su punto máximo en el año 2009, que correspondió al bicentenario de su nacimiento y al 150 aniversario de la publicación de su teoría; prácticamente, todas las revistas científicas publicaron fotos y textos sobre Darwin.

Actualmente, esta posición se ha vuelto casi ideológica, por lo que muchos de los principales escritores del siglo XX, en el campo de la evolución, se sintieron obligados a tomar una posición sobre el tema. Mayr, Gould y Dawkins declararon teorías que son antagónicas a la de Darwin.

Karl Popper fue más allá afirmando que la teoría de la evolución no es una teoría científica (Popper 2002). Desde nuestro punto de vista, la teoría de la evolución es una teoría científica, pero es una teoría que parte de un tiempo donde las limitaciones del conocimiento eran importantes; sobre todo, en campos tan importantes hoy en día como son el de la genética y el estudio de bacterias y virus, claves para entender y clasificar los entes vivos de este planeta. La teoría de Darwin no debería convertirse en un dogma religioso, sino que debe seguir siendo una teoría científica de otra época, que puede y debe refinarse en base a los conocimientos reales de la genómica y del ciclo biológico de los microorganismos, incluidos los viriones y virus.

14