Entradas etiquetadas como ‘virus’

¿Está el útero materno libre de microbios?

Por Alejandro Fernández Llorente* y Mar Gulis

Aunque muchos microorganismos nos hacen enfermar, la gran mayoría no son perjudiciales para los seres humanos y algunos incluso son beneficiosos y necesarios para nuestra salud. Por eso hay bacterias, virus y hongos que nos acompañan a lo largo de toda la vida: forman lo que conocemos como el microbioma humano.

Con ellos mantenemos una estrecha relación mutuamente ventajosa: nuestro cuerpo les proporciona alojamiento, alimento y protección y, a cambio, estos microorganismos se encargan de realizar importantes funciones para nuestro bienestar. Pero, ¿cuándo se alían con nuestro organismo y comienzan a influir en nuestra salud? 

embrión

Imagen de archivo de un embrión. / NATURE – Archivo

Colonización del microbioma

Al nacer nos exponemos a un ambiente lleno de microorganismos. Una gran parte de ellos proceden de la madre si el parto fue natural. Se trata de los principales colonizadores de nuestro cuerpo y ocupan la mayoría de las superficies, tanto externas como internas.

Durante la infancia, tienen un papel esencial en nuestra salud. Por ejemplo, controlan el desarrollo del sistema inmunitario y el de otros órganos, impiden que se asienten otros microorganismos perjudiciales y producen vitaminas y otros compuestos necesarios.

Entonces, ¿comenzamos a interactuar con el mundo microbiológico cuando nacemos? Aunque desde hace tiempo no había duda de que así era, en los últimos años la respuesta a esta pregunta ha dejado de ser tan clara. Recientemente se ha cuestionado si el útero, que nos mantiene alrededor de nueve meses de media antes de nacer, está libre de bacterias o incluso de virus. 

¿Hallazgo revolucionario o contaminación de muestras?

El feto es muy vulnerable a las infecciones, así que el útero debe mantener un ambiente interno sin amenazas de microorganismos invasores. Aun así, para algunos investigadores esto no significa que el interior del útero deba ser estéril necesariamente, a diferencia de lo que se ha asumido hasta la actualidad.

Existen estudios que han detectado ADN de bacterias, hongos y virus en la placenta y el líquido amniótico, dos componentes del útero en estrecho contacto con el feto. Algunas investigaciones han llegado incluso a detectar microorganismos en su intestino. Esto podría sugerir que el feto convive, al menos en algunas de las fases de su desarrollo, con microorganismos que le ayudarían a conformar su sistema inmune antes de que se exponga al mundo exterior, un entorno agresivo al que se tendrá que enfrentar sin la protección inmunitaria de la madre.

Sin embargo, hay estudios que ponen en duda de la fiabilidad de los resultados anteriores, ya que no se puede descartar que lo detectado sencillamente una contaminación de las muestras. Con las técnicas actuales, al intentar detectar poblaciones muy pobres de microorganismos, como las que podría haber en el feto, es complicado demostrar que aquello que se está observando pertenece de verdad al interior del útero materno.

Cuestiones abiertas

No obstante, aunque aún no se pueda probar con claridad la existencia de un microbioma en el feto, algunos patógenos sí logran acceder a él durante ciertas infecciones. De modo que deben de existir mecanismos que eviten la barrera inmunitaria que constituye el útero. Y, si existen, ¿podrían ser utilizadas también por otros microorganismos que sean inofensivos?

Por otra parte, no es de extrañar que algunos microorganismos merodeen por el interior de nuestro cuerpo. En fluidos como la sangre y el líquido cefalorraquídeo, que antiguamente se consideraban estériles cuando no había una infección, se ha llegado a detectar una gran diversidad de virus. Por ello, si se han podido encontrar microorganismos en nuestro interior estando sanos, ¿por qué sería extraño pensar que también los hay durante la gestación?

 

* Alejandro Fernández Llorente es técnico del Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CBMSO, CSIC-UAM).

Autofagia o cómo se elimina la basura de nuestras células

Por Laura Baños Carrión* (CSIC)

Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos, los seres humanos generamos basura constantemente. Deshacernos de ella es un acto sencillo y cotidiano, y encontramos a pocos pasos de nuestras viviendas y trabajos algún contenedor donde poder tirarla.  Nuestras células también producen basura todo el tiempo, pero ¿cómo se deshacen de ella? El mecanismo que utilizan para mantenerse limpias es conocido como autofagia, un término que proviene del griego y que significa ‘’comerse a uno mismo’’.

La autofagia es la forma que tienen las células de mantenerse en condiciones óptimas y saludables, evitando que se acumulen productos de desecho que puedan afectar a su funcionalidad. Es un sistema de limpieza por el que, como si fueran una aspiradora, las células se tragan la suciedad, que en su caso serían todos aquellos componentes celulares y proteínas dañadas, que no funcionan correctamente o que simplemente ya no necesitan.

Un sistema de limpieza y reciclaje celular

En condiciones normales, este proceso ocurre a niveles basales, es decir, a unos niveles mínimos en los que se garantiza la calidad de la célula. Sin embargo, se ve incrementado ante situaciones de estrés o demanda energética. Sin oxígeno, la célula no tiene forma de obtener energía y por tanto la autofagia se ve incrementada para intentar ahorrar energía reutilizando componentes. Cuando escasean los nutrientes, se activa la autofagia y se forma una vesícula de doble membrana en el interior de la célula llamada autofagosoma. Es una especie de bolsa de basura celular que engloba los residuos (como las proteínas mal plegadas) y los envía a unos orgánulos celulares denominados lisosomas. En este momento, los lisosomas, gracias a su alto contenido en enzimas digestivas, son capaces de descomponer prácticamente cualquier tipo de material biológico en los pequeños elementos que lo forman.

Pero no hay nada que se desaproveche. Estas piezas descompuestas se convierten en nuevos componentes celulares que pueden volver a utilizarse. Por ejemplo, una proteína defectuosa se degradaría en aminoácidos, que pueden reutilizarse para formar una nueva proteína funcional en lugar de tener que ser sintetizados de cero, ahorrando así energía. Por lo tanto, la autofagia, además de ser un sistema de limpieza, también funciona como un sistema de reciclaje celular.

Existe un tipo de autofagia selectiva: la xenofagia. Detecta microorganismos que han entrado dentro de la célula, incluidos los virus y bacterias

Y todavía hay más. Existe un tipo de autofagia selectiva: la xenofagia, que detecta específicamente los microorganismos que han entrado dentro de la célula, incluidos los virus y bacterias, los engulle y los dirige a los autofagosomas para su posterior degradación. Es una forma de defensa frente a infecciones, eliminando los patógenos y activando a las células de nuestro sistema inmune. No obstante, algunos patógenos han aprendido a ‘hackear’ este sistema, utilizando los autofagosomas como sitios de replicación y/o proliferación.

¿Y si falla la autofagia?

Después de saber todo esto, parece que no podemos vivir sin autofagia. Y así es. Cuando este sistema no funciona correctamente, se acumula basura en las células, esto puede afectar a su funcionamiento y resultar muy perjudicial.  De hecho, se ha demostrado que cuando la autofagia está alterada (bien por inactivación o por hiperactivación) da lugar a algunas enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares, autoinmunes, metabólicas e incluso diversos tipos de cáncer.

La enfermedad de Lafora es un ejemplo en el que se produce un fallo en la autofagia, aunque en este caso dicha alteración no es la causa principal.  En el Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV) del CSIC, investigamos esta enfermedad ultrarrara que apenas afecta a una persona cada millón de habitantes y que principalmente cursa con crisis epilépticas y neurodegeneración. Aparece en población infantil y juvenil y, desafortunadamente, provoca la muerte de los pacientes en apenas diez años desde la aparición de los primeros síntomas.

Aunque se piensa que la causa principal de la enfermedad es la acumulación de una forma anormal de glucógeno (la molécula donde el cuerpo almacena la glucosa para poder aprovecharla cuando tiene necesidad inmediata de obtener energía) en el cerebro y otros tejidos, existen alteraciones a otros niveles. Se han detectado fallos en la autofagia, pero todavía se desconocen los mecanismos moleculares por los que este proceso está desregulado en esta enfermedad.  La autofagia es un proceso muy controlado, a la vez que complejo, en el que participan muchas proteínas que hacen posible la formación de los autofagosomas y la posterior degradación lisosomal de los residuos celulares. Esto implica que la alteración de la autofagia puede venir por fallos a distintos niveles de control.

Al igual que la mayoría de las enfermedades raras, la enfermedad de Lafora no tiene cura. Existen más de 7.000 enfermedades raras y, a pesar de ser poco frecuentes, alrededor de 3 millones de personas en España padece alguna de ellas. Con la investigación, podremos conocer el mecanismo molecular y lograr tratamientos adecuados que permitan mejorar la calidad de vida de las personas afectadas e incluso ampliar su esperanza de vida y, quién sabe, quizá en un futuro poder curarla.

* Laura Baños Carrión es investigadora en el Instituto de Biomedicina de Valencia del CSIC.

Plancton: un mundo en una cucharadita de agua de mar

Por Albert Calbet (CSIC)*

En una pequeña cantidad de agua de mar como la que podemos recoger en la playa con una simple cuchara de café, podemos encontrar unos 50 millones de virus, 5 millones de bacterias, cientos de miles de pequeños flagelados unicelulares, ya sean fotosintéticos, consumidores, o una combinación de ambos, miles de algas microscópicas, unos cinco ciliados o dinoflagelados heterótrofos, y, con mucha suerte, algún pequeño crustáceo, como por ejemplo un copépodo. El plancton, conformado por este vasto acervo de seres diminutos, es fundamental para el funcionamiento de los ecosistemas marinos. Es el responsable de que haya vida en la Tierra, nos ha proporcionado, a escalas geológicas, una buena parte del oxígeno de nuestro planeta y sin él seguro que no comeríamos pescadito frito.

Calanus minor, especie de copépodo del mar Mediterráneo, sobre fondo negro.

Calanus minor. Especie de copépodo del mar Mediterráneo. Si bien en el Mediterráneo el género Calanus no es dominante, en mares más fríos y productivos, como el Mar del Norte o el Océano Ártico representan la mayoría de la biomasa de zooplancton y son claves para el mantenimiento de las pesquerías de la zona. / Imagen capturada al microscopio por Albert Calbet

Plancton: el motor de la vida marina

Todos estos seres que podemos encontrar en cualquier agua de mar están interconectados en una imbricada red trófica (el conjunto de cadenas alimentarias interconectadas) en la que no solo un organismo se come a otro, sino que, al hacerlo, ayuda a que se liberen los nutrientes acumulados en la materia viva y vuelvan a estar disponibles para que empiece de nuevo el ciclo de la vida. La red trófica marina también ayuda a reducir el CO2 atmosférico gracias a un proceso denominado bomba biológica marina. Mediante este proceso las algas absorben CO2 que ha penetrado en el mar desde la atmósfera y lo incorporan en forma de carbono orgánico en su materia viva. Al ser consumidas por el zooplancton, el carbono contenido en las algas pasa a formar parte de este, o acaba en paquetes fecales que son expulsados y sedimentan hacia las profundidades del océano. Allí, este carbono será reciclado o acabará secuestrado en los sedimentos por cientos o miles de años.

Copépodo marino del género Labidocera sobre fondo negro

Copépodo marino del género Labidocera. Este género habita aguas superficiales y posee tonalidades azules que le confieren sus pigmentos fotoprotectores. / Imagen capturada al microscopio por Albert Calbet

La mayor migración de la Tierra

Este proceso de transporte vertical de carbono está estrechamente relacionado con las migraciones de zooplancton. Estos desplazamientos diarios son considerados las mayores migraciones que existen en el planeta. Al migrar hacia capas superficiales para alimentarse durante la noche, el zooplancton evita que sus depredadores, los peces, lo puedan ver y devorar. Todo encaja en un orden y un equilibrio marcados por millones y millones de años de evolución conjunta de depredadores y presas.

Ilustración de la red trófica oceánica

Ilustración de Albert Calbet

El plancton no solo muestra ritmos diarios, también los hay anuales y plurianuales. Los ritmos anuales están marcados por las estaciones. En invierno, el fitoplancton, a pesar de tener plenitud de nutrientes, está limitado por la escasa luz y la baja temperatura. Hacia finales del invierno y principios de la primavera la luz es más intensa y la temperatura comienza a subir, lo que favorece la floración explosiva o bloom del fitoplancton, el cual irá acompañado por un crecimiento de las poblaciones de protozoos primero y de zooplancton de mayor tamaño después.

Ciliado tintínido del género Favella. Los ciliados son protozoos y forman parte del microzooplancton, el mayor grupo de herbívoros del mar. / Imagen capturada al microscopio por Albert Calbet

Cuando el verano está en su máximo esplendor, la ya bien formada termoclina, la capa de separación entre dos masas de agua a temperatura diferente, separa claramente dos zonas: una capa superficial, caliente y pobre en nutrientes, y una más profunda, fría y repleta de nutrientes. El consumo de las algas va agotando lentamente los nutrientes en la capa de mezcla superficial y con la falta de sustento estas van perdiendo empuje. Las algas veraniegas son o bien de pequeño tamaño o bien grandes, pero con capacidad de locomoción (como los dinoflagelados), y esto les permite explorar las micromanchas de nutrientes que puedan quedar. Son estas algas de gran tamaño las que, en condiciones propicias (por ejemplo, dentro de zonas confinadas como bahías, puertos y espigones), pueden multiplicarse hasta formar proliferaciones nocivas. En esta época es cuando aparecen también las medusas y otros tipos de plancton gelatinoso.

Las primeras tormentas del otoño llegan acompañadas de un aumento en la intensidad del viento, lo cual acaba deteriorando la termoclina, que al final se rompe y permite que las aguas ricas en nutrientes lleguen de nuevo a la superficie. En ocasiones, si las condiciones climáticas del año lo permiten, puede haber otro pequeño crecimiento de algas, pero muchas veces las pobres intensidades lumínicas y bajas temperaturas hacen que el fitoplancton no consiga aprovechar la abundancia de nutrientes. Vuelve el invierno y el ciclo comienza de nuevo.

Imagen de alga diatomea al microscopio

Diatomea del género Coscinodiscus. Las diatomeas son algas unicelulares planctónicas o bentónicas que tienen su cuerpo recubierto por dos valvas de sílice, a modo de cajita. / Imagen capturada al microscopio por Albert Calbet

Ritmos alterados por el cambio climático

Este ciclo se repite año tras año en las zonas templadas, sin embargo, la duración de las estaciones y la magnitud de los parámetros físicos (temperatura, densidad, luz) que se alcanzan en ellas es variable. Debido al cambio climático, el plancton se enfrenta a grandes retos y a fenómenos extremos que están provocando cambios en las comunidades. Estas alteraciones en el plancton se transmiten a través de la red trófica al resto de seres vivos y llegan hasta las pesquerías, de las que tanto dependen algunas zonas del planeta. Desincronización entre el período de aparición de depredadores y presas, desplazamiento y sustitución de especies por otras invasoras, aumento de las proliferaciones algales nocivas (antes conocidas como mareas rojas), incremento en la abundancia de medusas, etc., son algunos de los ejemplos de los retos a los que nos enfrentamos. La red trófica planctónica es compleja y nuestra actividad puede dañarla. Por eso es necesario que se apliquen medidas de contención del cambio climático y de la actividad antropogénica en general, y debemos seguir estudiando cómo evolucionarán las comunidades marinas, pues la incertidumbre ante el futuro no había sido nunca tan grande desde nuestra historia reciente.

Sapphirina sp. o zafiro de mar sobre fondo negro

Sapphirina sp. o zafiro de mar. Esta especie de copépodo de forma deprimida posee cristales de guanina que le confieren iridiscencias que reflejan la luz con diferentes tonalidades. / Imagen capturada al microscopio por Albert Calbet

* Albert Calbet es investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias del Mar (ICM-CSIC) y autor del libro El plancton y las redes tróficas marinas (2022), una de las últimas novedades de la colección ¿Qué sabemos de? (Editorial CSIC-Catarata). El libro ofrece una visión clara y amena sobre el plancton y su importancia, desarrolla estos y otros temas en detalle y presenta curiosidades sobre el plancton que difícilmente se encuentran en los libros de texto.

 

Escuchar los virus y las bacterias para el diagnóstico de enfermedades

Por Eduardo Gil (CSIC)*

Imagina que estiras un muelle. Esto hace que lo muevas de su posición de reposo. Se contrae, se estira y vuelve a su forma original. Mantendrá este movimiento oscilatorio durante cierto tiempo. El número de veces que se repite en un segundo se llama frecuencia, medida en hercios (Hz) – un hercio equivale a una oscilación por segundo-. Las oscilaciones de los muelles podemos observarlas con nuestros ojos, e incluso contarlas sin gran dificultad. Sin embargo, cuanto más pequeño sea un objeto, las oscilaciones tendrán una menor amplitud y una mayor frecuencia y, por tanto, será más difícil verlas.

Otro ejemplo clásico de resonador mecánico es el de la cuerda de una guitarra. Cada una de las cuerdas tiene dimensiones diferentes y por ello emiten sonidos distintos. Por ejemplo, cuando se toca la nota musical LA3 la cuerda vibra a 440 Hz, es decir, se comprime y expande 440 veces por segundo. Las vibraciones de una cuerda son más difíciles de observar con nuestros ojos y, por supuesto, no es posible contarlas. Sin embargo, estas vibraciones las percibimos con nuestros oídos, que son sensibles a su frecuencia, por ello distinguimos entre vibraciones que producen sonidos graves o agudos.

Microdiscos optomecánicos que actúan como sensores y bacterias Staphylococcus Epidermidis, que vibran a frecuencias de cientos de megahercios, cayendo sobre ellos. / Imagen: Scixel

Toda estructura mecánica es elástica en mayor o menor medida. Pero cada objeto vibra a frecuencias determinadas que dependen de sus propiedades morfológicas (forma) y mecánicas (densidad, rigidez, viscosidad, etc.). Por lo tanto, ‘escuchando’ las frecuencias de las vibraciones de un objeto podemos inferir sus propiedades físicas. Como se ha mencionado anteriormente, cuanto más pequeño es un objeto, mayores son sus frecuencias de vibración. En el caso de las bacterias y los virus, sus tamaños microscópicos e incluso nanoscópicos hacen que sus frecuencias de vibración sean extremadamente altas. Las bacterias suelen tener tamaños en torno a las micras (una millonésima parte de un metro), vibran a frecuencias de cientos de millones de hercios (cientos de millones de oscilaciones por segundo) con una amplitud extremadamente pequeña, en torno al tamaño de un átomo. Los virus son entidades aún más pequeñas, por lo que oscilan con amplitudes aún menores. Sus dimensiones se encuentran en torno a los cien nanómetros, e incluso por debajo. Son entre 10 y 1.000 veces más pequeños que las bacterias y, por lo tanto, oscilan a frecuencias entre 10 y 1.000 veces más altas. Así, los virus vibran más de mil millones de veces por segundo con amplitudes menores al tamaño de un átomo.

Nanosensores para detectar virus y bacterias

¿Y si hubiera aparatos para identificar y medir estas vibraciones? Desde el grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC trabajamos desde hace casi dos décadas en el desarrollo de nanosensores para la detección, caracterización e identificación de todo tipo de entidades biológicas (células humanas, bacterias, virus, proteínas, etc.). Estos nanosensores también se pueden considerar como muelles. Vibran a ciertas frecuencias que se ven modificadas cuando las entidades biológicas se adhieren a ellos. A través de estas variaciones se pueden determinar la masa y las propiedades mecánicas de las bacterias o los virus, además de poder identificarse a nivel individual.

Hace poco más de un año se descubrió que estos mismos nanosensores eran capaces de detectar las vibraciones de las bacterias, es decir, de escucharlas. Pero, ¿para qué sirve escuchar las bacterias? Con esta nueva aproximación, los nanosensores poseen una sensibilidad muchísimo mayor que sus predecesores en la caracterización de los objetos analizados y, por tanto, en su identificación. Una de las aplicaciones de esta técnica consiste en desarrollar sensores universales que sean capaces de detectar la presencia de todo tipo de bacterias y virus en un único test. El fin último sería el diagnóstico de enfermedades infecciosas.

Una tecnología que reduciría el coste de los diagnósticos

Hoy en día, para diagnosticar una enfermedad infecciosa, es necesario que desde la medicina se intuya previamente qué patógeno podría estar causándola. Después, deben realizarse pruebas específicas para determinar si el patógeno concreto se encuentra en el cuerpo del paciente. Si la prueba es positiva, problema resuelto. Sin embargo, si la prueba arroja un resultado negativo o no concluyente, el diagnóstico de la enfermedad se retrasa. Esto obliga a hacer nuevas pruebas y demora el tratamiento del paciente. Al disponer de una tecnología que permitiese diagnosticar las enfermedades infecciosas de forma universal, se reduciría el coste del diagnóstico de manera significativa. Y lo que es más importante, los pacientes recibirían el tratamiento adecuado lo antes posible. Por otro lado, ser capaces de caracterizar las propiedades físicas de estas entidades biológicas con suficiente precisión tendrá un gran impacto en la biomedicina, dado que este avance que permitirá desarrollar nuevos medicamentos y tratamientos. La aplicación de estos nanosensores no se limita al estudio o detección de bacterias y virus, sino que se podría extender la tecnología a otras entidades biológicas como proteínas o células humanas y aplicarla, por ejemplo, a la detección temprana del cáncer.

*Eduardo Gil es investigador en el grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC.

CRISPR: cómo las bacterias nos enseñan a editar los genes

Por Lluís Montoliu (CSIC)*

Frecuentemente pensamos en las bacterias como fuente de problemas. Efectivamente, son las causantes de enfermedades infecciosas tan graves como la tuberculosis, el cólera o la peste, pero también son las que nos proporcionan yogures y otros derivados lácteos. Además, las bacterias llevan miles de millones de años sobre la Tierra, muchísimos más que nosotros. Durante todo este tiempo han desarrollado un sistema de defensa muy eficaz que les permite zafarse de la infección por virus.

El sistema inmune de las bacterias fue descubierto por Francisco Juan Martínez Mojica, microbiólogo de la Universidad de Alicante, que lleva más de 25 años investigando sobre este tema. ¿Qué hace que este mecanismo de defensa sea tan especial? Pues, entre otras cosas, que se transmite genéticamente, de unas bacterias a sus hijas o descendientes. Por ejemplo, cuando nosotros nos vacunamos contra el virus del sarampión adquirimos unas defensas que evitan que desarrollemos esta enfermedad. Ahora bien, nuestros hijos no heredan esta defensa. Si queremos que ellos estén protegidos contra el sarampión, también tenemos que vacunarlos (algo sobre lo que nadie debería albergar hoy en día ninguna duda, por cierto). Las bacterias son más inteligentes que nosotros. Una vez aprenden a defenderse de un virus son capaces de transmitir esta defensa a sus hijas, y éstas a sus nietas, etc., perpetuando esta defensa. Este descubrimiento básico de Mojica, realizado en 2003, sirvió para que otros investigadores se dieran cuenta de que el mecanismo por el cual las bacterias se defienden de los virus también puede usarse, sorprendentemente, para editar los genes con una precisión nunca antes vista.

En 2012 varios científicos, entre ellos las investigadoras Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier, describieron este sistema de edición basándose en los trabajos de Mojica. El sistema está formado por una proteína, denominada Cas, que actúa como una tijera molecular capaz de cortar el ADN de forma muy precisa dirigida por una guía, una pequeña molécula de ARN que le dice a la tijera Cas dónde tiene que cortar. Este sistema se denomina CRISPR (pronúnciese “crisper”), acrónimo en inglés que describe las características de estas secuencias genéticas que dirigen el corte de la tijera molecular. Éste fue el nombre, hoy en boca de investigadores de todo el mundo, acuñado también por Mojica en 2001.

El mecanismo por el cual las bacterias se defienden de los virus también puede usarse para editar los genes. / geneticliteracyproject.org

¿Qué podemos hacer con las herramientas CRISPR? Igual que cuando nos equivocamos al escribir un texto en el ordenador y podemos volver atrás y corregir, eliminar o sustituir la palabra o letras erróneas, con las herramientas CRISPR podemos editar los genes. Podemos añadir letras si faltan, eliminar letras si sobran, sustituirlas o corregirlas por otras. En definitiva, podemos modificar los genes a voluntad. Esto ha provocado una verdadera revolución en biología, biomedicina y biotecnología.

Ahora podemos desarrollar modelos celulares y animales más adecuados para el estudio de las enfermedades. Por ejemplo, tras diagnosticar a un paciente afectado por alguna de las miles de enfermedades raras de base genética que existen, y detectar el gen y la mutación causantes de esa enfermedad, podemos replicar exactamente esa misma mutación en ratones. A estos ratones que reproducen la misma alteración genética de un paciente los llamamos ‘ratones avatar’ para ilustrar la conexión existente entre ellos. Gracias a ellos podremos validar la seguridad y eficacia de nuevos tratamientos de una forma más efectiva, ya que son portadores del mismo error genético. Si somos capaces de introducir una mutación en ratones, también deberíamos poder usar las mismas herramientas CRISPR para revertir errores genéticos que afectan a los millones de personas con alguna enfermedad rara. No estamos todavía ahí, pero sí en el buen camino.

Ratones avatar modificados genéticamente con CRISPR. / Davide Seruggia

Los resultados preliminares de tratamientos genéticos basados en CRISPR probados en animales son muy esperanzadores, pero todavía no están listos para su aplicación efectiva en pacientes. ¿Por qué no podemos usar las herramientas CRISPR en el hospital? En primer lugar, la precisión que tienen las herramientas de edición genética CRISPR no es absoluta. En determinadas ocasiones pueden cortar en secuencias genéticas muy parecidas, causando alteraciones no deseadas en genes similares que no deberíamos modificar, y cuyos cambios pueden causar problemas mayores de los que queremos solucionar. Esta es una limitación que puede reducirse al mínimo si se diseñan cada vez mejores guías y se seleccionan tijeras moleculares con mayor precisión.

Pero lo más preocupante es la segunda de las limitaciones de las herramientas CRISPR. Toda la precisión que tienen para cortar el genoma en el gen y la secuencia correctas, no la tienen los mecanismos de reparación que entran en juego inmediatamente tras el corte, restaurando la continuidad del cromosoma. Estos sistemas de reparación, que tenemos en nuestras células, progresan de forma un tanto azarosa, añadiendo y quitando letras hasta conseguir enganchar los dos fragmentos del cromosoma cortado. Si bien es cierto que podemos inducir la reparación con secuencias genéticas molde que sirvan como patrón para la reparación, también sucede que no siempre las células usarán el molde y, por ello, al reparar el corte, generarán una nueva modificación genética no deseada. Tenemos que seguir investigando estos mecanismos de reparación, para poder controlarlos y hacerlos más precisos y seguros. Solamente entonces podremos recomendar, siempre con prudencia, el uso de las herramientas CRISPR en el tratamiento de enfermedades de base genética en personas.

Tras proponerlas como sistemas de edición genética en 2012, las herramientas CRISPR fueron usadas por vez primera en 2013. Hoy, apenas cuatro años más tarde, ya estamos pensando en maneras de optimizar su uso en terapias para enfermedades, para hacerlas más seguras y efectivas. Cuando estudiaba los microorganismos que habitan las salinas de Santa Pola, Mojica no podía imaginar el camino futuro que iban a tomar sus investigaciones de biología básica. Tratando de entender como esas bacterias se defendían de los virus que las acechaban, llegó hasta un hallazgo revolucionario. Ahí está la belleza y el poder de la ciencia. Un descubrimiento microbiológico, en apariencia menor, que pasa a ser la mayor revolución tecnológica en biología. Así pues, debemos de estar agradecidos a las bacterias, por mostrarnos nuevas formas de luchar contra las enfermedades. Y a Francisco Mojica, por haber descubierto este proceso de la naturaleza y habérnoslo contado, por haber descrito el sistema CRISPR que tantas aplicaciones biomédicas está produciendo.

Vídeo en el que la proteína Cas9 corta una molécula de ADN en tiempo real por microscopía de fuerza atómica. Imágenes de la Universidad de Tokio publicadas en este artículo.

 

* Lluís Montoliu es investigador del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del CSIC.

 

‘Nanobásculas’ para pesar virus y bacterias en la detección de enfermedades

Por Eduardo Gil Santos, Alberto Martín Pérez y Marina López Yubero  (CSIC)*

Cada virus y bacteria tiene una masa diferente. El simple hecho de poder pesarlos nos permitiría identificarlos y distinguirlos y, con ello, detectar de forma altamente precoz las enfermedades que provocan. Los recientes avances en nanotecnología han permitido la creación de unos nuevos dispositivos, los sensores nanomecánicos, que actúan como básculas a escala nanométrica, permitiendo detectar estos objetos con una precisión mucho mayor que los métodos convencionales de diagnóstico de estas enfermedades.

Cuerdas de ukelele

Los nanosensores vibran como las cuerdas de una guitarra para detectar virus y bacterias.

La detección de estas partículas mediante sensores nanomecánicos se obtiene estudiando los cambios en su vibración. Estos sensores vibran igual que las cuerdas de una guitarra: cuando pulsamos una cuerda de una guitarra, esta vibrará y las ondas se transmitirán por el aire, lo que percibiremos como sonido. Además, si unimos un objeto a la cuerda, esta pesará más y, en consecuencia, su movimiento será más lento, lo que dará lugar a un sonido más grave. Esta diferencia en el tono del sonido se puede relacionar directamente con la masa del objeto unido. De la misma manera, los sensores nanomecánicos vibrarán más lentamente cuando se une a ellos una partícula (virus o bacteria). Esto se comprueba fácilmente adhiriendo un pequeño imán a un diapasón. Sin embargo, en estos sensores las vibraciones no son perceptibles por el oído y se necesitan métodos ópticos muy avanzados (similares a los utilizados en la detección de ondas gravitacionales, pero a escala nanométrica) para detectar estos cambios en la vibración del sensor.

Bacteria en nanosensor

Imagen de microscopía electrónica de barrido de una bacteria E. coli sobre un sensor nanomecánico con forma de micropalanca. El peso de esta bacteria es de 300 femtogramos (0,0000000000003 gramos, diez mil millones de veces menos que una hormiga).

Estos dispositivos también permiten medir otra propiedad muy interesante de las partículas depositadas: la rigidez. Conocer la rigidez de las partículas biológicas (virus, bacterias o células) puede ser de gran utilidad, ya que, por una parte, la rigidez junto con la masa permite una identificación todavía más precisa de los distintos virus o bacterias. Asimismo, podría permitir diferenciar entre células cancerígenas y sanas, ya que se ha descubierto que aunque ambas tienen una masa similar (lo que no permite distinguirlas a través de su masa), muestran una rigidez distinta: las células cancerígenas son menos rígidas que las células sanas. Por último, medir la rigidez de los virus hace posible distinguir su estado de maduración y conocer su capacidad infecciosa.

El grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC desarrolla este tipo de dispositivos desde hace más de diez años. En la actualidad, este grupo lidera una serie de proyectos financiados por la Unión Europea (ViruScan, LiquidMass, Nombis) que contribuirán a la implantación definitiva de estas tecnologías a nivel clínico. En tan solo cinco años, estos sensores se probarán en países empobrecidos con gran riesgo de epidemias para la detección de los virus que producen fiebres hemorrágicas.

Al mismo tiempo, el equipo trabaja en el desarrollo de nuevas tecnologías para la comprensión y detección precoz de muchas otras enfermedades (distintos tipos de cáncer, Alzhéimer, etc.). En un futuro no muy lejano, este tipo de sensores estarán implantados directamente en el interior de nuestro cuerpo, preparados para detectar cualquier infección en el mismo momento de contraerla, lo que permitirá actuar contra ella de manera mucho más eficaz.

 

* Eduardo Gil Santos, Alberto Martín Pérez y Marina López Yubero son personal investigador del CSIC en el grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología.

¿Cuál es el origen del virus del SIDA?

B. PachecoPor Beatriz Pacheco (CSIC)*

¿Cómo y cuándo surgió el virus del SIDA en humanos? Existen múltiples teorías acerca de su origen. Algunas llegan a afirmar que el VIH no existe y que el SIDA se debe a un déficit de vitaminas; otras se apuntan a tesis conspirativas y sostienen que el virus fue generado en un laboratorio por científicos estadounidenses, y las hay que incluso defienden que la epidemia se debe a un “castigo divino”. Obviamente, estas explicaciones carecen de fundamento científico. Sin embargo, la ciencia sí ha podido demostrar que el VIH procede de la transmisión a los humanos de unos virus similares que infectan con una alta prevalencia ciertas especies de monos africanos.

Pero ¿cuándo surgió el VIH? Aunque los primeros casos de SIDA se describieron en EEUU en 1981, diversos estudios filogenéticos han situado las primeras infecciones causantes de la pandemia actual en torno a 1920 en Kinsasa, capital de la República Democrática del Congo. La expansión demográfica de principios del siglo XX, junto con el desarrollo industrial y el aumento del comercio sexual, habrían favorecido la transmisión y diversificación del virus, con su consecuente adaptación al nuevo huésped humano.

Virus del SIDA (color verde) ensamblándose a un linfocito. / Centers for Disease Control.

Virus del SIDA (color verde) ensamblándose a un linfocito. / Centers for Disease Control.

Conviene recordar que los virus causantes del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) se denominan virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 y tipo 2 (VIH-1 y VIH-2, respectivamente), y que ambos presentan una alta variabilidad genética. Los primeros (VIH-1) se clasifican en 4 grupos: M, N, O y P. Los de tipo 2 (VIH-2) se dividen en 8 grupos de los cuales sólo dos tienen relevancia epidémica. La gran mayoría de las infecciones por VIH a nivel mundial se deben a virus VIH-1 del grupo M, mientras que las infecciones por VIH-2 suponen un pequeño porcentaje, concentrándose en países de África occidental como Guinea-Bissau, Gambia, Senegal, Cabo Verde, Costa de Marfil, Mali, Mauritania, Sierra Leona o Nigeria.

Cuando en los años 80 del pasado siglo se identificó y secuenció por primera vez el VIH-1, se vio que tenía cierta similitud con el virus Visna que infecta a ovejas. Esto dio pie a teorías conspirativas que afirmaban que el VIH-1 había sido generado en un laboratorio del ejército de los EEUU, supuestamente para eliminar a la raza negra y a los homosexuales. En 1986 se aisló un segundo tipo de virus en humanos que también causaba SIDA, el VIH-2, genéticamente muy parecido al VIH-1. Poco después se comprobó que el VIH-2 tenía una similitud incluso mayor con un virus que causaba síntomas similares al SIDA en algunos macacos cautivos. Posteriormente se aislaron virus parecidos en otros primates africanos como chimpancés, gorilas, monos verdes o mangabeys, que colectivamente se denominaron virus de la inmunodeficiencia de simios (SIV, por sus siglas en inglés). Para diferenciarlos entre sí, a estos virus de simio se les añade un sufijo distintivo de la especie en la cual se han aislado. Hoy en día la ciencia ha demostrado que el origen del HIV está en estos virus de simios, los SIVs.

Chimpancé

Según los estudios, el virus SIV que infecta a los chimpancés es el origen del tipo de VIH responsable del 95% de las infecciones en humanos. / Alain Houle (Harvard University) – BMC Ecology image competition.

Estudios científicos apuntan a que los virus VIH-1 de grupo M, responsables de más del 95% de las infecciones por VIH, y los de grupo N provienen de la transmisión a humanos del SIV que infecta chimpancés (SIVcpz). Mientras, los grupos P y O del VIH-1 provendrían de la transmisión de virus que infectan gorilas (SIVgor). El VIH-2, por su parte, tiene su origen en los virus que infectan mangabeys grises (SIVsmm) que habitan en África occidental. Cada uno de los 8 grupos de VIH-2 se habría originado a partir de 8 eventos independientes de transmisión de estos monos a los humanos.

La infección por VIH tiene por tanto su origen en una zoonosis, esto es, la transmisión de una infección de una especie a otra. Sin embargo, la transmisión de un virus (u otro patógeno) entre especies no es algo sencillo. Estadísticamente las zoonosis no son frecuentes. Existen diversas barreras de especie que normalmente impiden que esto ocurra. Estas barreras pueden ser factores que el virus necesita en algún momento de su ciclo para replicarse en las células del individuo infectado y que, al ser diferentes entre especies, impiden al virus su utilización. En otros casos existen factores que actúan de manera dominante impidiendo la replicación del virus en determinadas especies. Cuanto más próximas filogenéticamente estén las dos especies, más fácil será que el virus consiga su propósito e infecte a la segunda especie. En el caso del SIDA este salto fue posible debido a la proximidad genética entre los chimpancés y los humanos y la capacidad intrínseca del virus de mutar. Después los factores socioeconómicos y demográficos mencionados habrían favorecido su propagación.

 

* Beatriz Pacheco trabaja como investigadora en el Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa” gracias a un contrato JAE-Doc cofinanciado por el Fondo Social Europeo. Su proyecto de investigación está financiado por el 7º Programa Marco de la UE a través de un Marie-Curie Creer Integration Grant (grant agreement number 332623).

Virus que se usan para curar

VirusPor Mar Gulis (CSIC)

Sida, gripe, algunas hepatitis… La mayoría de la gente sabe que los virus son la causa de un gran número de enfermedades. También es conocido que pueden ayudarnos a prevenir trastornos de salud a través de las vacunas, que utilizan virus atenuados o inactivados. Sin embargo, ahora los últimos avances en la investigación médica podrían hacer que comenzáramos a verlos como auténticos agentes terapéuticos capaces de curar enfermedades.

La razón de este cambio de percepción radicaría en el uso de los virus en la terapia génica. Esta incipiente rama de la medicina consiste en modificar la información genética de los pacientes para combatir trastornos que no tienen cura a través de métodos tradicionales, como la administración de fármacos o la cirugía. Si bien se trata de un campo todavía en desarrollo, ya se han aprobado más de 1.800 protocolos de ensayos clínicos para la utilización de terapias génicas en todo el mundo.

En su libro Terapia génica (CSIC-Catarata), los investigadores Blanca Laffon, Vanessa Valdiglesias y Eduardo Pásaro explican que este nuevo enfoque fue concebido para el tratamiento de enfermedades relacionadas con defectos genéticos. Entre las 4.000 que se conocen en la actualidad se encuentran algunos problemas de gran importancia para la salud pública, como varias formas de cáncer y buena parte de las enfermedades cardiovasculares y degenerativas. En estos casos la terapia génica se propone corregir el defecto genético introduciendo en el interior de células de interés (células diana) nuevos genes que permitan al organismo realizar correctamente funciones que se encuentran alteradas. Un ejemplo paradigmático de este tratamiento es el de los ‘niños burbuja’ aquejados de inmunodeficiencia combinada severa. Las diferentes técnicas ensayadas con estos pacientes consisten en introducir en algunas células el gen correcto encargado de producir la proteína adenosina deaminasa (ADA), cuya carencia da lugar a la inmunodeficiencia.

En la actualidad la terapia génica no se emplea solo en el tratamiento de enfermedades genéticas sino también en otro tipo de trastornos, como la mayoría de los cánceres o algunas infecciones. En estas situaciones de lo que se trata es de recurrir a la manipulación genética para dotar a las células de alguna propiedad que puede aprovecharse con fines terapéuticos. Por ejemplo, en pacientes portadores del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), causante del sida, se han introducido genes antivirales que evitan la reproducción del VIH cuando este infecta una célula.

¿Y qué tienen que ver los virus con todo esto? La explicación reside en que el material del que están hechos los genes, el ADN, no puede simplemente tragarse como una píldora ni inyectarse directamente en la sangre. El ADN desnudo (sin ninguna cubierta protectora) se deterioraría y además no podría reconocer o penetrar en las células a las cuáles está destinado. Este ADN desnudo necesita un transportador, o vector, para protegerlo y dirigirlo hacia las células correctas del organismo.

Hoy día los virus son los agentes más utilizados como vectores. Estos microorganismos infecciosos están constituidos por fragmentos de ADN o ARN contenidos en el interior de una cápsula de proteínas y, en algunos casos, rodeados de una envoltura formada por grasas y otras proteínas. No tienen metabolismo propio, por lo que han de introducirse en el interior de las células y utilizar su maquinaria para reproducirse, generando, por una parte, copias de su material genético y, por otra, sintetizando las proteínas necesarias para formar la cápsula. Cuando se han producido estos componentes y las nuevas partículas virales se han ensamblado, estas son liberadas de la célula hospedadora, lo que generalmente produce la muerte de esta.

Terapia génica

En la terapia génica, el gen terapéutico se introduce en un vector -un virus u otro agente- que facilita su transferencia al interior de la célula.

La terapia génica no utiliza virus ‘normales’ sino modificados genéticamente a los que se les extraen los genes que les confieren características dañinas –aquellos encargados de su reproducción, principalmente– y se les incorporan el gen o los genes deseados para el tratamiento. Estos virus infectan literalmente a los pacientes y penetran en el núcleo de las células, como un virus cualquiera. Sin embargo, una vez allí depositan un material genético que da lugar a la proteína necesaria para la terapia y no se reproducen.

Los vectores virales constituyen los sistemas más eficaces para transferir genes, ya que son capaces de infectar una elevada proporción de células diana. Sin embargo, hay que tener en cuenta que su uso entraña algunas dificultades y limitaciones. En primer lugar, deben considerarse cuestiones de seguridad, bien porque puede producirse una transferencia involuntaria del virus nativo (que no ha sido modificado), bien porque la introducción del genoma del virus en el de la célula hospedadora afecte a genes originales de esta impidiéndole realizar correctamente su función.

Otro punto clave es la reacción inmunitaria que el organismo puede poner en marcha. Como consecuencia, es posible que el sistema inmune elimine el material genético que se ha introducido provocando la muerte de las células modificadas por la transferencia, lo que impediría que la terapia surtiese efecto. Por último es preciso mencionar que la cantidad de material que los virus pueden transportar es limitada –hay genes que no caben en los virus– y que la producción de vectores virales en grandes cantidades es difícil y muy costosa.