I. INTRODUCCIÓN. - Somos Bacterias y Virus · los virus contacten con bacterias que con protistas...

Los Virus en el Medio Ambiente y su posible papel en la Evolución

Paloma Rodríguez Rodríguez 2

I. INTRODUCCIÓN.

Desde el descubrimiento de los virus hasta hace unos pocos años, estos entes que no

pertenecen ni al grupo de los organismos vivos ni al de la materia inerte, se ha mantenido entre

bastidores, quedando relegados a estudios de procesos infecciosos y, más recientemente a

prácticas biotecnológicas.

Aunque en la literatura antigua se intuía la posibilidad de que los virus debían de tener

un impacto significativo en las cadenas tróficas microbianas (Wiebe W. y Liston J., 1968) y

consecuentemente, en las redes tróficas globales, los estudios de ecología viral no se han

iniciado hasta hace unas pocas décadas. Gracias a los avances en las técnicas de microscopía

y genética molecular, ha sido posible hacernos una idea de la enorme diversidad y abundancia

vírica que nos rodea, y lo poco que conocemos a cerca de estos pobladores ubicuos de

nuestro planeta.

Además, estos avances tecnológicos nos han permitido, entre otras muchas cosas,

realizar secuenciaciones completas de organismos, obteniendo resultados realmente

sorprendentes al realizar comparaciones genómicas y aminoacídicas entre los virus y los

diferentes organismos de los dominios de la vida, que sitúan a los virus en más de una de las

transiciones evolutivas, jugando un papel fundamental en el origen del antecesor común

celular, el origen de la célula eucariota, la formación de los tres dominios de la vida (Forterre P.,

2006), así como en el origen del ADN (Zimmer C., et al., 2006) y diferentes sistemas

enzimáticos (Fileé J. et al., 2001).

No obstante, y aun estando en el siglo XXI, existen muchas trabas a la hora de realizar

determinadas investigaciones científicas y recopilar información con experimentos y

conclusiones objetivas, por desgracia, no sólo debido a la existencia de ideas preconcebidas.

En la actualidad, la difusión de los últimos hallazgos científicos no resulta un problema, ya que

existe una gran cantidad de información al alcance de casi todos, sin embargo, se carece de

una unificación de ideas y conceptos hasta en los aspectos más básicos de la biología, lo que

implica una dispersión del razonamiento a medida que intentamos avanzar en nuestros

estudios.

Por ello, se hace inminentemente necesario una revisión de conceptos como el de

especie, organismo, evolución (Goldenfeld N. y Woese C., 2007) y vida, así como de toda una

serie conceptos antropocéntricos, que habitualmente se usan para describir las relaciones

entre diferentes organismos, tales como la relación “parasítica” entre un virus y su

“hospedador”.

Por razones históricas, la naturaleza de los virus sigue siendo algo enigmático, dado que

desafían la actual teoría celular, (Forterre P., 2006) al no poseer un metabolismo intrínseco y

funcionar a expensas del metabolismo y ciclo de las células que infectan (Fuhrman J. A., 1999)

pero no obstante, con un ciclo vital claramente definido (Figura 1). Actualmente son

considerados como un grupo de pequeñas partículas de unos 20-200 nm de longitud,

constituidos por un material genético (ADN o ARN de cadena sencilla o doble) encerrado en



una cubierta proteica llamada cápsida, que en algunos casos también posee lípidos. Se sabe,

que los virus se ponen en contacto con su hospedador, para llevar a cabo el proceso infectivo,

mediante fenómenos de difusión pasiva y usan las estructuras que su anfitrión expone en su

membrana, como proteínas de transporte, para anclarse e inyectar su material genético en el

interior celular (Fuhrman J. A., 1999).

Figura 1. Tomada de Weinbauer M. G., 2003. Tipos de ciclos vitales vírico

1. Infección lítica: los virus se adhieren a la célula susceptible de ser infectada e inyectan su ácido nucleico en ella, que la dirigirá para la producción de una progenie vírica numerosa, provocando la lisis celular (Fuhrman J. A., 1999).

2. Infección crónica: la progenie vírica no resulta letal y su anfitrión celular, se libera de ella por procesos de exocitosis o gemación (Fuhrman J. A., 1999).

3. Lisogenia: el ácido nucleico del genoma vírico se integra en el genoma celular. El genoma vírico se reproduce junto con el material genético en el interior de la célula anfitriona, siguiendo el ciclo celular habituad de ésta. En este caso, el virus se conoce como profago o provirus. La célula puede permanecer en este estado hasta su muerte, sin ningún tipo de efecto sobre ella, pero también es posible que se produzca la activación del ciclo lítico debido a situaciones de estrés (Fuhrman J. A., 1999) causadas por sustancias contaminantes que desequilibran los ecosistemas.

4. Pseudolisogenia: el ácido nucleico viral puede permanecer en el interior de la célula anfitriona durante un tiempo, debido a estados de carencias nutritivas en la célula, durante el cual el virus adopta un estado inactivo, incapaz de iniciar su propia expresión génica debido a un estado de baja energía celular; cuando la célula esta perfectamente nutrida se reanuda la actividad vírica normal, pudiendo reestablecerse el ciclo lisogénico o lítico (Fuhrman J. A., 1999).

Durante el ciclo vírico, se producen fenómenos de transmisión horizontal de genes que,

a pesar de tener lugar de manera natural en las comunidades microbianas, se conoce poco la

escala del proceso y los beneficios para el virus y la célula (Hambly E., y Suttle C. A., 2005).

Afortunadamente, la comunidad científica comienza a ser consciente de la importancia de este

proceso a nivel evolutivo y ecológico, dado que los virus constituyen el mayor reservorio de

diversidad genética y a demás, parece que la lisogenia podría ser un mecanismo de

adquisición de secuencias génicas complejas, disponibles para un uso eventual por parte de la

célula (Sandín M., 1998).



II. LOS VIRUS EN EL MEDIO AMBIENTE.

PARÁMETROS DE ESTUDIO AMBIENTAL

1. ABUNDANCIA VÍRICA

Como se ha indicado anteriormente, los estudios medioambientales centrados en los

virus comenzaron hace unas pocas décadas. Cuando los científicos oceanógrafos

determinaron que la abundancia vírica en el medio marino superaba la abundancia bacteriana

(Fuhrman J. A., 1999), no salían de su asombro.

Estudios posteriores, han demostrado que los virus están considerados las entidades

más abundantes en todas las regiones marinas: en las zonas costeras y en el océano abierto,

en las regiones tropicales y polares, en la superficie y en el fondo oceánico, en los mares

helados y en los sedimentos arrastrados por el agua. La estimación actual es del orden de 1010

virus por litro en las aguas superficiales (unas 5-25 veces la abundancia bacteriana) (Fuhrman

J.A., 1999) y, aunque los estudios realizados en medios terrestres son relativamente recientes,

nos dejan datos similares (Gewin V., et al., 2006). Según estas cifras, encontramos que la vida

celular se desarrolla en un mar virtual de virus (Bamford D.H., 2003).

Teniendo en cuenta el ciclo vital vírico, éstos dependen directamente de la replicación de

las células que infectan y por tanto, la abundancia relativa de los tipos específicos de virus se

mueve paralelamente a la de los organismos que infectan. Si los virus encuentran a sus

anfitriones al azar, por fenómenos de difusión y posterior intercepción, el contacto entre ambos

será proporcional a la abundancia y al tamaño del hospedador, de ahí que sea más fácil que

los virus contacten con bacterias que con protistas o metazoos, dado que las últimas

estimaciones en cuanto a la abundancia bacteriana están en 109 bacterias por litro (Hambly E.

y Suttle, C. A., 2005) (Figura 2).

Figura 2. Micrografía Electrónica de Fluorescencia de virus marinos. Los virus se muestran como pequeños y numerosos puntos verdes, y las células procariotas aparecen como puntos de mayor tamaño. Se piensa que los dos elementos que aparecen de mayor tamaño son diatomeas pennadas. Las muestras fueron tomadas cerca de la Isla de Santa Catalina el 29 de Mayo de 1998.

Imagen tomada de Fuhrman J. A., 1999.

Pese a que la estrecha relación entre las abundancias vírica y bacteriana, la predicción

de la abundancia vírica en función de la bacteriana no es del todo fiable. En la última década,

se han diseñado modelos matemáticos que estiman que la abundancia bacteriana permite

determinar, tan sólo, en un 65% la abundancia vírica dado que no podemos pasar por alto que



la composición, tanto marina como terrestre son desconocidas en este aspecto, pudiendo

existir infinidad de diferentes tipos de virus aún no descubiertos (Fuhrman, J. A. 1999) (Figura

3).

Figura 3. Micrografía Electrónica de Transmisión que muestra diferentes virus y bacterias en muestras tomadas en la región norte del Mar Adriático. Las flechas muestran virus de diferentes tamaños.

Imagen tomada de Weinbager M. G., 2003.

Aunque a la hora de manejar las cifras debemos obrar con gran precaución, los valores

aproximados han permitido realizar una serie de estudios que muestran una correlación entre

ambas, que determinan una serie de aspectos de gran importancia ecológica:

- La abundancia vírica sigue los mismos patrones de distribución de abundancia

bacteriana.

Pese a los porcentajes, en una escala de cientos de kilómetros, la abundancia vírica esta

fuertemente correlacionada con la abundancia bacteriana, lo que indica, como ya se intuía, que

la mayor parte de los virus infectan las bacterias (Fuhrman J. A., 1999), consecuentemente los

virus bacteriófagos, o fagos, son, con mucho, los virus más abundantes en los océanos

(Hambly E. & Suttle, C. A., 2005).

Estos patrones de distribución, incluyen decrecimientos de, aproximadamente un orden

de magnitud entre las aguas eutróficas de las costas y, las oligotróficas de los mares abiertos.

Un descenso de cinco órdenes de magnitud entre las zonas eufóricas y las regiones centrales

de la columna de agua (por ejemplo a 500m de profundidad), y descensos de mayores órdenes

de magnitud con respecto a las llanuras abisales. Al igual que ocurre con las bacterias, los

mares helados están fuertemente enriquecidos en virus, en relación con aguas profundas, y los

sedimentos, mucho más ricos en comparación con las aguas tendidas (Fuhrman J. A., 1999).

- La abundancia vírica es dinámica.

Las fluctuaciones acusadas en la abundancia de los virus desde escalas de tiempo que

van desde minutos a horas, pueden indicar que existe una sincronización entre la lisis de la

célula hospedadora y la rápida degradación de gran parte de la progenie vírica.

Este dinamismo es particularmente responsable del cambio en las condiciones

ecológicas, (como los blooms algales) lo que supone una evidencia importante acerca de que

los virus son miembros activos en las comunidades ecológicas, más que partículas inertes.

(Fuhrman J. A., 1999).



2. DIVERSIDAD VÍRICA

Aunque los datos ya revelaban la posibilidad de una mayor abundancia de bacteriófagos,

que del resto de tipos víricos, el empleo de técnicas de microscopía electrónica, reveló además

que las comunidades bacteriófagas marinas eran morfológicamente diversas (Torella F., Morita

R. Y., 1974). (Figura 4).

Figura 4. Micrografía Electrónica de Transmisión que muestra diferentes morfologías de bacteriófagos libres encontrados en la Bahía de Yaquina, Oregón.

a. y b. Virus de cápsida octaédrica.

c. Dos bacteriófagos con las colas largas y flexibles enrolladas entre sí.

d. Fago de cola corta. Fago de tipo III según la clasificación de Hidaka e Ichida.

e. Fago de tipo V según la clasificación de Hidaka e Ichida.

f. Fago sin dola por ello, presumiblemente con ssADN o ssARN según la clasificación de Bradeley.

Imagen tomada de Torrella F. y Morita R. Y., 1979.

Los avances de las técnicas genéticas realizados en los últimos años, han permitido

realizar comparaciones en cuanto a la similitud y tamaño genómicos. Aunque no existe un gen

universal sobre el cual realizar los estudios de comparación genómica, el análisis del gen

estructural g20, presente en un cianofago parecido al fago T4 que infecta la cianobacteria

marina Synecchococcus, una de las más abundantes en el medio marino, revela la existencia

de diferencias en la composición genómica de los virus localizados a pocos metros a lo largo

de la columna de agua (Hambly E. & Suttle, C. A., 2005).

Los estudios de comparación genómica posteriores, se han realizado mediante el

análisis de genes estructurales que codifican para las proteínas D1 y D2 del aparato

fotosintético de cianobacterias. Estas proteínas están codificadas por los genes psbA y psbD,

respectivamente, los cuales también han sido identificados en cianofagos que infectan a las

cianobacterias Synecchococcus y/o Proclorococcus. La reconstrucción filogenética se basó la

inferencia de secuencias aminoacídicas de PsbA y PsbD, obteniéndose que dichas secuencias

procedían de clusters genéticos que se encontraban unidos tanto en Synecchococcus como en

Proclorococcus y en varios organismos eucariotas. Multitud de datos procedentes de un amplio

estudio filogenético muestran que la adquisición de dichos genes fue mediante transferencia



horizontal de genes desde los fagos hacia sus células hospedadoras, de modo que las

diferencias entre los aparatos fotosintéticos de los cianofagos y las cianobacterias, serían

producto de múltiples procesos de transmisión horizontal de genes (Hambly E. & Suttle, C. A.,

2005) (Figura 5).

Figura 5. Fenograma sin raíz tomado de Hambly E. & Suttle C.A., 2005. Realizado a partir de alineamiento de 53 secuencias de 732 nucleótidos del gen psbA, para

cianobacterias, cianofagos y diferentes muestras ambientales. Valores por encima de 90 muestran un parecido fuerte entre ramas. El prefijo en el nombre de los cianofagos, depende del primer anfitrión del que fueron aislados (P, Prochlorococcus; S, Synechococcus). Los colores representan: negro, secuencias ambientales de librerías de clones; verde, Prochlorococcus asilada; rojo, Synechococcus aislada; azul, cianofago aislado usando Synechococcus como anfitrión; caqui, cianofago aislado usando Prochlorococcus como anfitrión.



Actualmente, la cuantificación de la diversidad genética se está realizando mediante el

uso de librerías de ADN a partir del ADN total del virus, esto se conoce como metagenómica. El

análisis genético de dos comunidades víricas no cultivables, presentes en la columna de agua

de una región costera, muestra un 65% de secuencias sin similitudes significativas a ninguna

secuencia presente en la base de datos y, sólo un tercio de las secuencias que poseían alguna

similitud con las introducidas en la base de datos, correspondían a secuencias de fagos

(Breitbart M. et al., 2002). Estudios posteriores, en los se analizaron muestras de sedimentos

costeros, revelan una enorme diversidad sin caracterizar, con un 75% de secuencias sin

similitudes significativas respecto a las bases de datos, y estimándose una diversidad de

10.000 genotipos virales diferentes por cada kg de sedimento (Breitbart M. et al., 2004).

Cabe señalar, que estas comparaciones se realizan con genes estructurales dado que

son menos susceptibles a las modificaciones a lo largo del tiempo, ya que son genes

codificantes de proteínas esenciales para los organismos objeto de estudio. Por el momento,

nos quedaremos con la idea de que estos datos nos están mostrando por un lado, diferencias

entre los virus y por otro lado, parecen existir similitudes entre éstos y el resto de organismos.

Desde la década en la que se descubrió la elevada abundancia y diversidad vírica,

diferentes evidencias convergen en una misma conclusión, los virus son agentes que

determinan significativamente la mortalidad de los microorganismos acuáticos y por tanto, la

actividad vírica establece un control potencial en la estructuración de las comunidades

acuáticas, dado que pueden limitar la abundancia bacteriana en varios órdenes de magnitud

(Fuhrman J. A., 1999).

Dicha actividad vírica se emplea como parámetro para el estudio del papel que juegan

los virus en los ciclos biogeoquímicos y su impacto ecológico y a menudo, queda relegada a

estudios de mortalidad bacteriana y fitoplanctónica, no obstante debemos ser conscientes que

estos parámetros son la causa de la actividad vírica dada por la frecuencia de infección, el

decaimiento vírico y la producción vírica, por ello, creo oportuno realizar una ampliación de los

parámetros medioambientales de estudio, para posteriormente concluir con un análisis de sus

efectos:

3. FRECUENCIA DE INFECCIÓN

Hoy día, existen dos aproximaciones básicas para la determinación de la frecuencia de

infección:

a. Mediante la observación de secciones finas de plancton a Microscopía

Electrónica de Transmisión.

Las primeras evidencias de la existencia de este parámetro como determinante de la

mortalidad planctónica, se obtuvieron mediante esta técnica por Proctor, L. M. & Fuhrman J. A.



en 1990, donde se observaban secciones finas de plancton mediante Microscopía Electrónica

de Transmisión (TEM). En estos estudios, se pone de manifiesto que los virus infectan entre el

0.8 - 4.3% de las células de la variedad de los siguientes hábitats marinos: aguas costeras con

muchos nutrientes, océanos abiertos de aguas oligotróficas y sumideros de materiales

sedimentados. Se han encontrado porcentajes similares en estudios realizados en aguas

continentales aunque, en ocasiones, se obtienen porcentajes menores, y eventualmente son

indetectables.

b. Mediante la observación de muestras de plancton intacto a Microscopía

Electrónica de Transmisión.

El procedimiento es mucho más rápido, y requiere sólo unos pocos mililitros de muestra.

Se han encontrado porcentajes significativamente mayores de células infectadas en

comparación con el método de las secciones celulares, probablemente debido a que los virus

son más visibles cuando se observan entidades celulares que cuando se observan porciones.

Sin embargo, la visualización a través de células completas es menos clara que cuando se

hace de porciones celulares, dado que determinados componentes celulares, como los

productos de almacenamiento, a menudo pueden ser confundidos con virus (Fuhrman J. A.,

1999).

Figura 6. Micrografía Electrónica de Transmisión tomada mediante secciones finas de plancton, en la que se muestran dos protistas con virus maduros alrededor y en el interior de las vacuolas digestivas.

Imagen tomada de Proctor L. M., 1997.

El estudio de la frecuencia de infección suele ir asociado al de la mortalidad bacteriana y

fitoplantónica y, aunque será tratadas con detenimiento, vemos como mediante ambas

aproximaciones se han obtenido unas estimaciones similares en cuanto a la contribución vírica

en la mortalidad celular en las aguas marinas aeróbicas (10-50%), de igual modo que ocurre en

las aguas continentales aeróbicas donde los porcentajes son mucho mayores (45 -100%). Sin

embargo, estos pueden estar sobreestimado, ya que existe la posibilidad de que células

infectadas hayan servido de alimento antes de la lisis y pueda confundirse con un proceso

infeccioso en el individuo que las consume (Fuhrman J. A., 1999).

Un modo sencillo de examinar el posible impacto de los virus sobre los sistemas

planctónicos es aumentar artificialmente el número de virus. Los experimentos muestran como

en las muestras de aguas costeras y océano abierto, un incremento del 20% en una facción de

2-200 nm puede reducir en un 50% la tasa fotosintética, el crecimiento bacteriano se ve

inhibido (aproximadamente la mitad) del total de la comunidad bacteriana, al igual que se



observa con los heterótrofos primarios. Sin embargo, aunque el aumento de la concentración

de virus provoca una mortalidad bacteriana, también estimula el crecimiento de las bacterias

supervivientes (Fuhrman J. A., 1999) debido a mecanismos de resistencia a las infecciones

víricas, como se verá más adelante.

4. DECAIMIENTO VÍRICO

En cultivos bacterianos, el decaimiento normalmente se mide como una disminución a lo

largo del tiempo en el número de partículas víricas (o centros de infección) que se pueden

medir, después de haber inyectado los virus a las células en cultivo. En todas la comunidades

virales, el decaimiento es medido como la desaparición de partículas víricas a lo largo del

tiempo (la producción de nuevos virus sirve como indicador parar la medición). En general, la

medición del decaimiento viral está destinado a estimar los tiempos de renovación (el tiempo

necesario para que la muestra stock sea reemplazada tras ese decaimiento) desde una hora

hasta pocos días. Los valores que toma este parámetro, tienden a seguir la riqueza media del

agua, de modo que las tasas de decaimiento más elevadas se detectan en las regiones

cercanas a las costas con gran cantidad e nutrientes y, la tasa de decaimiento más bajas, en

las regiones más alejadas de la costa, donde la cantidad de nutrientes es menor (Fuhrman J.

A., 1999).

Diferentes estudios acerca de los factores que provocan un decaimiento vírico, coinciden

en que la radiación solar, especialmente la región del ultravioleta tipo B, es el factor que más

daños induce y consecuentemente, el que más decaimiento vírico genera. Sin embargo, las

tasas de decaimiento debido a este factor son diferentes en diferentes virus, los virus que

habitan en regiones más soleadas, parecen mostrar una mayor resistencia a la radiación solar.

Como la intensidad lumínica desciende con la profundidad, el decaimiento vírico debido a la

radiación solar es más importante en la región de la superficie marina y carece de efecto a

grandes profundidades. En presencia de luz, algunas bacterias anfitrionas pueden reparar el

ADN vírico dañado por la radiación solar, reanudándose así el proceso infectivo. Este

mecanismo de fotorreactivación apoya la hipótesis de que los virus son infectivos en la porción

iluminada de la columna de agua, en contra de lo que se pensaba originalmente. Pero incluso

con atenuación, existen partículas víricas especialmente sensibles a la radiación (Fuhrman

J.A., 1999).

5. PRODUCCIÓN VÍRICA

La actividad vírica puede ser analizada cuantitativamente estimando la tasa a la que se

producen los virus, porque esto implica necesariamente un proceso infeccioso en la célula



anfitriona. En el caso de una infección lítica, la tasa de mortalidad del hospedador puede ser

asociada a la tasa de producción vírica (Fuhrman J.A., 1999).

Existen tres métodos de determinación de la producción vírica:

a. Comparación de la tasa de decaimiento vírico en una población, de

modo que aquélla de mayor tasa de decaimiento mostraría una mayor producción,

dado que su ciclo vital sería de mayor velocidad.

b. Según la incorporación en el ácido nucleico vírico de timidita tritiada o

fosfatos marcados, que permiten detectar las rondas replicación del material

genético. Se establece que virus son los responsables de un 10-40% de la tasa de

mortalidad en la zona superficial del Ártico.

c. Estudios de fluorescencia que permite una contabilización directa de la

producción y el decaimiento víricos.

6. MORTALIDAD BACTERIANA

Los protistas bacterívoros aparecen como un fuerte elemento del control de la

abundancia bacteriana, mostrando una clara selección del tipo de bacterias a la hora de

alimentarse. Esta selección del bacterioplancton determina de un modo importante la

composición de las comunidades bacterianas, no sólo en cuanto a la abundancia, sino también

en cuanto a su diversidad (Weinbauer et al., 2007). El otro factor que determina

significativamente la mortalidad bacteriana, son los virus bacteriófagos (Fuhrman J.A., 1999)

(Figuras 7 y 8).

En los mares del Ártico (Bering y Chukchi) se han encontrado evidencias de que los virus

y los protistas son responsables de la mortalidad bacteriana en proporciones similares. En

determinadas muestras se encuentra un dominio de la acción de los protistas sobre la de los

virus, frente a otras donde la mortalidad es debida en su mayor parte a la acción vírica. Se

piensa que los virus son responsables de un 10-50% de la mortalidad bacteriana total en las

aguas superficiales, y de un 50-100% en los ambientes que no son óptimos para los protistas,

como lugares con bajas cantidades de oxígeno (Fuhrman J.A., 1999).

La conclusión que parecen sacar diversos estudios que comparan directamente la

muerte inducida por los virus, es que en la aguas eutróficas los efectos de la actividad vírica

son mayores, respecto alas aguas oligotróficas. Lo más sorprendente, es que no todos los

estudios tienen una única conclusión en cuanto a los efectos de la actividad vírica sobre la

mortalidad bacteriana. Se han estudiado tasas de infecciones víricas relativamente pequeñas

en charcas de la región Mediterránea y, las cianobacterias se ven fuertemente afectadas por la

acción vírica en regiones muy determinadas sin embargo, existen determinados grupos de

organismos y determinados hábitats donde la mortalidad debida la acción vírica se reduce a



efectos de tipo local, esporádico o de sensibilidad, (Fuhrman J.A., 1999) mostrándose

reacciones de resistencia a la infección.

Figura 7. Micrografía Electrónica de bacterioplancton infectado por bacteriófagos.

a. Bacteria similar a Spirillum con tres bacteriófagos adheridos a la célula.

b. Fago infectando una bacteria, junto a bacterias no infectadas. Ver la cápsida protéica madura (flecha) y la existencia de virus libres.

c. Bacteria infectada junto a un grupo de virus libres. Ver la distribución aleatoria de los virus en la célula y su estado maduro.

d. Bacteriófago infectando una bacteria. Ver la distribución aleatoria de los fagos en la célula, así como los virus libres (flecha pequeña) y la endomembrana celular (flecha grande). e. Bacteriófagos maduros infectando una bacteria agrupados en la periferia bacteriana.

f. Bacteria de morfología alargada infectada por virus bacteriófagos. Ver la agrupación de los fagos en la región Terminal de la célula. g. Vibrio con ocho partículas virales ancladas a la membrana bacteriana.

h. Fago infectando una bacteria de morfología irregular.

i. Bacteria infectada por bacteriófagos. Ver cómo los fagos maduros se localizan de un modo agrupado en una región celular y la existencia de virus libres junto a la bacteria infectada.

j. Bacteriófagos infectando una bacteria. Ver la localización del grupo de fagos en la región periférica de la célula.


Figura 8. Flagelados alimentándose de bacterias. Nótese la presencia de una bacteria en la vacuola digestiva del flagelado del margen derecho de la imagen.

Imagen tomada de Šimek K. et al. , 2007.



Parece que estudios recientes están aclarando parte del dilema ya que demuestran que

la lisis vírica, junto al pastoreo llevado a cavo por los protistas, tienen efectos sinérgicos y

antagónicos sobre la abundancia y la biomasa bacteriana. Los experimentos se realizaron a

partir de muestras de aguas mesotróficas, en las que se analizaron los efectos de diferentes

consumidores bacterianos, virus y nanoflagelados, sobre el bacterioplancton. Dado que los

flagelados y los virus consumen el mismo alimento, se esperan relaciones antagónicas, de

modo que el incremento de la actividad de uno de ellos provocará un descenso del otro. Por

otro lado, la presencia de nanoflagelados heterotróficos puede estimular tanto la producción

como la infección viral del bacterioplancton, por razones no bien conocida pero, que se

deducen a continuación.

Para realizar el análisis de dichas relaciones, se realizaron cuatro tipos de cultivos in situ:

de bacterias sin depredadores (Control), de bacterias con bacteriófagos (V), de bacterias con

nanoflagelados (F) y de bacterias con virus y nanoflagelados (VF). Los virus de los dos

primeros tratamientos fueros inactivados por calor (Figura 9).

Figura 9. Estudio temporal del volumen de virus, bacterias y flagelados en experimentos.

C, control (bacterias sin depredadores); V, virus (bacterias con virus activos); F, flagelados (bacterias con flagelados); VF, virus y flagelados (bacterias con virus activos y flagelados).

En los experimentos se observaba una tendencia ascendente y paralela entre la abundancia y la biomasa bacterianas conforme pasa el tiempo. Sólo tratamiento VF, donde la cantidad de depredadores es muy elevada, se observaba un decrecimiento de ambos parámetros al final del tratamiento

Paralelamente se realizó un estudio de la abundancia vírica, respecto a la producción bacteriana. En el que se observó un leve incremento de la actividad vírica en los tratamientos V y VF dado que son en los que se añadían virus activos. En los tratamientos C y F poseen virus inactivados, de ahí la disminución de la actividad vírica con el tiempo, nótese que la producción en los tratamientos C y V es muy elevada, frente a los tratamientos que poseen flagelados.

Finalmente, se determinó la relación entre nanoflagelados heterótrofos (HNF) y el pastoreo, observándose un incremento paralelo entre ambos, pese a la presencia de virus en el tratamiento VF.

Imagen tomada de Weinbauer M. G. et al, 2007.



Tanto la abundancia vírica como la frecuencia de infección son más elevadas en

presencia de flagelados que cuando se encuentran los virus solos con las bacterias. El

pastoreo de los nanoflagelados heterótrofos afecta a la producción vírica de varias maneras:

- Puesto que en situaciones de carencias de fósforo y carbono, el

crecimiento de los nanoflagelados es lento, las bacterias aprovechan los productos

de deshecho de éstos, incrementándose su crecimiento. En esta situación la

producción vírica se verá elevada dado que hay pocos depredadores con los que

compartir y muchas bacterias para infectar, esto además propicia la entrada en ciclo

lisogénico de los virus (Weinbauer M. G. et al., 2007).

- Otro efecto posible, es una resistencia al pastoreo conferida por

infecciones víricas. Se ha observado en cianobacterias infectadas una proteína de

membrana que las protege de los nanoflagelados (Weinbauer M. G. et al., 2007).

- Además, la producción vírica se puede alterar debido a cambios en la

composición del bacterioplancton, dado la especificad de las infecciones (Šimek K.,

et al., 2007). Si los flagelados cambian la dominancia del tipo bacteriano,

alimentándose de hospedadores manos numerosos, la producción vírica aumentará

dado que habrá un mayor número de encuentros entre el virus y su hospedador. Sin

embargo, la modificación de la presión de os flagelados, no siempre se puede

asociar a modificaciones en la abundancia o actividad vírica (Weinbauer M. G. et al.,

2007).

7. MORTALIDAD FITOPLANCTÓNICA

Actualmente, no se trata de un estudio tan extensivo como el de la infección de bacterias

heterotróficas, pero su efecto potencial es muy claro, dado que el fitoplancton constituye la

base de la red trófica del medio marino. El fitoplancton marino está constituido por procariotas

(cianobacterias y proclorofitas) y eucariotas; tanto unos como otros muestran infecciones

víricas en el medio natural. Esto tiene numerosas implicaciones en cuanto a los efectos de los

virus en la estructura de las comunidades y, probablemente en su funcionamiento.

Se han realizado pocos estudios al respecto, pero como se ha mencionado

anteriormente, se sabe que en aguas relativamente enriquecidas con una proporción de virus

del 20%, se ha estimado unas reducciones de la biomasa y de la producción primaria

fitoplanctónica del 50%, debidas a la acción vírica. Esto constituye una fuerte evidencia de que

los virus infectan activamente las comunidades fitoplanctónicas (Fuhrman J. A., 1999)

además, se han encontrado virus que infectan a los eucariotas del fitoplancton marino, en la

zona eufórica.



Los virus marinos son capaces de infectar diatomeas, crysophytas, pyrmnesiophytas,

aptophytas, raphidoritas y cryptomonas; probablemente toda la variedad del fitoplancton sea

susceptible de ser infectado (Figura 10).

Figura 10. Micrografía Electrónica

de fitoplancton eucariota y

procariota infectado por virus en

diferentes hábitats.

a. Heterosigma akashiwo

(Raphidophyceae) infectada. Observar cómo los cloroplastos y las mitocondrias están intactos pese a la infección vírica avanzada.

b. Organismos similar a Clorella infectado (género desconocido, Chlorophyceae?). Observar cómo los cloroplastos permanecen intactos.

c: Aureococcus anophagefferens (Pelagophyceae) infectado. Las mitocondrias permanecen intactas.

d: Viroplasma (VP) en H. akashiwo. Ver la formación parcial de proteínas de la cápsida vírica (flecha) y un virus inmaduro (i) junto a un virus maduro de coloración oscura. e: Diatomea infectada (género desconocido, Bacillariophyceae). Ver como el núcleo (N) permanece intacto y la célula está llena de virus maduros.

f: Emiliania huxleyi (Haptophyceae) infectada. Observar cómo la célula está totalmente llena de virus.

g. Viroplasma en E. huxleyi. Ver la formación de las proteínas de la cápsida (flecha) junto a virus en diferentes estados de maduración.

h. Cyanobacteria (parece ser Synechococcus,Cyanophyceae) infectada. Ver los cianofagos agrupados en una región de la célula.

i. Cryptomona (género desconocido, Cryptophyceae). Ver los virus en estado maduro en el viroplasma (VP). Los cloroplastos y las mitocondrias permanecen intactos, pese a la presencia de virus maduros en la célula.




EFECTOS BIOGEOQUÍMICOS

Como bien es conocido, la producción primaria en los medios marinos viene

representada fundamentalmente por el fitoplancton (algas eucariotas, cianobacterias y

bacterias fotosintéticas anoxigénicas) junto con bacterias quimiosintéticas cuya contribución en

medios iluminados es pequeña pero establecen el cierre de los ciclos biogeoquímicos en todos

los hábitats. Los consumidores primarios están representados por los protozoos y por las

bacterias, estas últimas mediante el denominado loop microbiano.

La posición de los virus en el loop microbiano, se debe a que son los causantes de la

mayor proporción de la mortalidad bacteriana e incluso del fitoplancton a través de infecciones

líticas, mediante las cuales las células quedan reducidas fragmentos celulares y moléculas

disueltas (monómeros, oligómeros y polímeros), constituyendo la materia orgánica disuelta,

que sirven de alimento a las bacterias de un modo inmediato. No obstante, algunos de estos

productos líticos son resistentes a la degradación (Fuhrman J. A, 1999). El loop esta

retroalimentado externamente por exudados del fitoplancton, por la alimentación del

zooplancton (alimentación negligente y excreción) y a la acción exoenzimática de bacterias y

hongos y el pastoreado. Esta materia orgánica disuelta, también sirve de alimento a los

nanoflagelados heterótrofos y a los ciliados, aunque en menor medida. A través de la

denominada función “Link”, el loop microbiano se cierra cuando las bacterias son consumidas

por los nanoflagelados heterótrofos, éstos por los ciliados, y éstos pos el zooplancton, que

servirá de alimento a los peces estableciéndose la red trófica clásica. Pero además, dado que

existen pérdidas por respiración y regeneración de nutrientes inorgánicos asociados al uso de

sustancias orgánicas disueltas, este loop tiene una serie de efectos en red, relacionadas con la

oxidación de la materia orgánica y la regeneración de nutrientes inorgánicos, gracias a las

cuales se moviliza la materia orgánica que queda retenida para formar las estructuras de los

diferentes organismos en la denominada función “Sink” (Figura 11).

Figura 11. Esquema de una red trófica marina formándose un loop que conecta a los procariotas, los virus y la materia orgánica disuelta. Observesé cómo el loop tiene como objetivo transformar la materia orgánica en nutrientes inorgánicos disueltos. En el esquema los virus y los desechos celulares se separan pero normalmente también se les incluye dentro de la materia orgánica disuelta. Imagen tomada de Fuhrman J. A, 1999.

El secuestro de materiales en los virus, bacterias y materia orgánica disuelta está dirigido

a mejorar la retención de nutrientes en la zona eufórica en los sistemas de infección vírica,



porque hay más material que vuelve a formar pequeñas formas no sumidero. Esto puede ser

particularmente importante para los nutrientes que son potencialmente limitantes (como el N, el

P y el Fe), los cuales están relativamente concentrados en las bacterias, en comparación con

los eucariotas. La reducción de la actividad viral puede provocar la acumulación de materia de

muchos organismos, los cuales ni se degradan por sí mismos ni forman detritos, sin permitir el

transporte de carbono y los nutrientes inorgánicos desde la zona eufórica a los fondos

oceánicos (Fuhrman J. A., 1999).

La lisis de los organismos y la relación con el contenido celular en el agua tiene otros

efectos biogeoquímicos importantes, relacionados con las propiedades físico-químicas de los

materiales, en relación con la localización en la columna de agua donde tiene lugar la lisis. Por

ejemplo, la relación de polímeros contribuye al estado de gel del agua de mar, que tiene

influencias biológicas y en la física microscópica (procesamiento químico, facilita la agregación

y la precipitación desde las zonas eufóricas). Alternativamente, la lisis vírica de los organismos

que precipitan en agregados, puede ser disuelta efectivamente en partículas, convirtiéndose las

partículas precipitadas en materia disuelta (Fuhrman J. A., 1999).

Además, los virus también tienen una gran importancia en la climatología global porque

inducen la formación de DMS, un gas que influye en la nucleación de las nubes. Existen

experimentos que muestran que las infecciones vírica causan el total de la producción del

precurso de DMS (DMSP) del picoplancton M.pusilla, y se sabe los virus también infectan a la

mayor parte de los organismos que contienen el DMSP como E.lhuxlei y P.pouchetii, causando

un incremento del DMS. La complejidad de las interacciones en las redes tróficas (desde los

microbios hasta el fitoplancton) determinan que el DMS además de estar relacionado con la

atmósfera, también puede ser transformado y degradado principalmente por los

microorganismos o los animales en las aguas. Esto es importante para entender la mezcla de

procesos físicos y de actividades, así como las complejas interacciones entre los virus (también

algas y bacterias), protistas y zooplancton ramoneador para predecir la extensión del DMS

oceánico en comparación con su degradación (Fuhrman J. A., 1999).

EFECTOS ECOLÓGICOS

1. Regulación de la diversidad y la abundancia.

La evidencia más directa del control que ejercen los virus sobre las comunidades

microbianas la encontramos en los blooms algales y cianobacterianos, ya que sólo a través de

ellos puede establecerse el control de los mismos. Existen diferentes estudios que muestran

que el número máximo de de bacterias en una población, es igual a los recursos más el

máximo número de virus de un solo tipo (Furhman J. A., 1999).

Aunque los virus tuvieran un papel mínimo en la muerte de los organismos, seguirían

ejerciendo un potente control sobre las proporciones relativas de las diferentes especies de una

comunidad de individuos, dado que las infecciones víricas dependen tanto de la densidad del



organismo susceptible de ser infectado, como de la especificidad de infección de los virus. De

modo que los organismos que están en bajas proporciones serían menos infectados,

simplemente por cuestiones de probabilidad de encuentro con el virus (Furhman J. A., 1999),

en este aspecto, los virus tienden a homogenizar las poblaciones, siempre y cuando la

infección fuera acompañada de un proceso de lisis celular.

En cuanto a la influencia en la abundancia bacteriana, hay que destacar que la lisis

vírica sólo permitiría un incremento del crecimiento bacteriano, gracias a la movilización de la

materia orgánica, en el caso de que el tiempo de difusión entre hospedador y hospedador fuera

menor que el tiempo de infección.

En general, los principales factores de regulación de la composición de las comunidades

microbianas y su biomasa, son los nutrientes limitantes (carbonos orgánicos, así como los

fosfatos y los nitratos tanto en su forma tanto orgánica como inorgánica) y los efectos de

depredación llevada a cabo por los virus y los flagelados (Furhman J. A., 1999) sin embargo,

hay que añadir el efecto movilizador de nutrientes que tienen los virus al llevar a cabo las

infecciones líticas, que permiten la liberación de nitrógeno, fósforo y carbono de las bacterias

(Weinbauer M.G. et al., 2007), que servirá de alimento (materia orgánica disuelta) a otras

bacterias, provocando un incremento de las mismas.

2. Resistencia.

Otro factor importante que influye en la diversidad de los microorganismos es la

adquisición de resistencia a las infecciones víricas, fenómeno que se observa en muchas

regiones marinas, donde las comunidades resistentes dominan sobre las sensibles, sin

embargo predominan las regiones donde las comunidades son totalmente sensibles a las

infecciones víricas (Fuhrman J. A., 1999).

Según Fuhrman J. A., parece ser que la inyección del genoma vírico en la célula,

proporciona C, N y P a ésta. En este contexto la infección vírica supondría un beneficio para las

células en ambientes marinos (oligotróficos), frente al coste fisiológico que implica el proceso

de resistencia a las infecciones víricas. Argumentación con la que estoy totalmente en

desacuerdo, dado que si el virus entra en ciclo lítico, no podría hablarse de beneficios para la

célula, además ¿qué tipo de gasto fisiológico implica ser resistente a una infección vírica? Si

hubiera que hablar de ventajas entre los organismos susceptibles de ser infectados, sería en

términos de lisogenia, ya que de ese modo la célula podría estar dotada de nuevos genes que

podrían conferirle alguna característica favorable en su medio.

La otra explicación que da ante las bajas proporciones de resistencia, es el dinamismo

de las comunidades y el desarrollo de nuevas progenies víricas. Esta argumentación me

parece bastante probable dado que el dinamismo poblacional genera variabilidad en las

progenies víricas por el fenómeno de transferencia horizontal de genes, confiriendo a los virus

nuevas características indetectables por las células, y por lo tanto, capaces de ser infectadas.



3. Lisogenia.

Este tipo de ciclo a menudo se ve como una estrategia de supervivencia vírica en

periodos de baja densidad de hospedadores (Fuhrman J. A., 1999), confiriendo características

propias del genoma vírico a la célula, que podrían suponer una ventaja o no para la misma.

Existen datos que muestran que el 40% de las bacterias recogidas en muestras de

aguas marinas, oceánicas y lacustres, presentan virus en estado lisogénico. Aunque la

inducción del ciclo lítico no es demasiado habitual, determinados elementos como los

hidrocarburos, el Aroclor y las sustancias policloradas, pueden hacerlo. Sorprendentemente, la

radiación solar no induce la lisis celular en proporciones tan elevadas como se pensaba

(Fuhrman J. A., 1999) gracias a la protección que aporta las capas de aguas superiores.

Diferentes estudios muestran que la inducción de la lisogenia se produce o bien, en

bajas proporciones de modo continuo o bien en oleadas, según estos datos, la mayor parte de

los virus en los ambientes acuáticos, serían el resultado de sucesivos procesos de infecciones

líticas (Fuhrman J. A., 1999) y no por reactivación lisogénica.

4. Cambio genético.

El cambio genético es probablemente el mecanismo de mayor importancia, tanto

ambientalmente como evolutivamente.

Pese a la antigüedad de los estudios, aún se desconocen los efectos a corto y largo

plazo en términos de adaptación, de población genética y evolución. Se sabe que existen

bacteriófagos capaces de realizar procesos de transmisión horizontal de genes de un modo

inespecífico y que las lisis bacterianas pueden dejar libre parte del material genético celular en

el medio, susceptible de ser transferido a otras bacterias mediante una transformación natural

(Fuhrman J. A., 1999). En general, la transmisión horizontal de genes y la transformación,

provocan la mezcla de los genomas favoreciendo la variación entre especies, afectando a los

procesos de adaptación y evolución.

El estudio de la diversidad microbiana en el medio terrestre aún es demasiado reciente

para establecer una argumentación completa acerca del papel de los virus en los suelos, no

obstante cabe destacarse que en un solo gramo de tierra ya se han llegado a encontrar, y

secuenciar, 250 billones de pares de bases nucleotídicas. Esto implica trabajar

simultáneamente con el equivalente a 40.000 genomas humanos (Gewin V., 2006).

Pese a la ausencia de datos concluyentes, hay que tener en cuenta que los

microorganismos del suelo son los responsables del reciclado nutrientes, formando parte de

procesos tan importantes como el restablecimiento del dióxido de carbono a la atmósfera o la

conversión del nitrógeno atmosférico (Gewin V., 2006) en formas combinadas del nitrógeno

disponibles para las plantas. Además, son capaces de habitar lugares como la superficie de las

rocas, las partículas minerales o la materia orgánica en descomposición, en las que se han

llegado a encontrar millones de especies diferentes (Gewin V., 2006).



II. EL PAPEL DE LOS VIRUS EN LA EVOLUCIÓN.

El origen de los virus sigue siendo bastante controvertido hoy en día, y dada la

actual teoría celular, su naturaleza es, del mismo modo, enigmática.

Como se menciona en la introducción, durante todo este tiempo, el estudio de

los virus ha quedado relegado al análisis de polimorfismos víricos (como la gripe aviar)

y el estudio de su origen en un segundo plano. Sin embargo, esto esta cambiando

gracias a la aparición de nuevas ideas y revisión de las antiguas, al aislamiento de

virus gigantes (Figura 12) y, a la secuenciación de genomas víricos que permiten

realizar estudios de comparación genómica.

En Abril de 2006 ya había secuenciados 1600 genomas víricos, tanto de ADN

como de ARN, aproximadamente en la misma proporción. Los estudios de

comparación genómica, se basaron en el análisis de los mecanismos de replicación,

tamaño genómico, complejidad genómica, así como en la gama de anfitriones y otros.

La primera impresión que aportaron los resultados de los estudios mencionados, es

que el grupo de los virus, se trataba de un grupo monofilético, con un antecesor

común. Sin embargo, estudios posteriores muestran evidencias que demuestran un

origen independiente entre los virus de ADN y los virus de ARN (Claveire J. M., 2006).

En la actualidad, se acepta que los virus son polifiléticos es decir, que los diferentes

linajes víricos se han originado de un modo independiente y, aunque se cree que los

virus de ARN y ADN no están evolutivamente relacionados, existe una gran similitud

entre algunas de sus estructuras, lo que hace pensar el origen de ambos se produjo

bajo mecanismos comunes (Forterre P., 2006).

Figura 12. Imagen de un Mimivirus gigante.

Imagen tomada de Zimmer C. et al, 2006



EL ORIGEN DE LOS VIRUS

En la actualidad existen tres hipótesis que tratan de explicar los mecanismos que

dieron lugar a los virus y, como cabe esperar, ninguna está exenta de críticas:

1. “HIPÓTESIS DEL VIRUS ORIGINAL”.

Esta hipótesis defiende que los virus son reliquias de formas precelulares. Se

apoya en datos moleculares que muestran el origen celular como un evento

relativamente tardío en la evolución.

Desde 1998, existen grupos de científicos que defienden que LUCA (del inglés

“Last Universal Cellular Antecesor”) no era una entidad celular, de modo que las

membranas celulares se habrían originado de un modo independiente, tras la

divergencia entre Arqueas y Bacterias, dado que los lípidos de las membranas de las

Arqueas muestras una isomería opuesta y sus cadenas hidrocarbonadas poseen

estructuras diferentes a los de las Bacterias y Eucariotas. Según esto, los primeros

virus se habrían originado en un contexto acelular, en un mundo de proteínas y ácidos

nucleicos “flotando en la sopa primitiva” o localizados en plataformas minerales

(Forterre P., 2006).

Como cabe esperar, esta hipótesis ha sido descartada durante muchos años,

dado que los virus actuales necesitan un estadio de desarrollo intracelular para su

reproducción además, la existencia de LUCA sin membrana no podría explicar la

presencia de genes homólogos existentes en los tres linajes celulares, que codifican

para proteínas funcionales de membrana (Forterre P., 2006).

Los seguidores de esta hipótesis, sostienen que los componentes de la sopa

primordial pudieron actuar como un hospedador vírico (Forterre P., 2006) y que la

presencia de ribozimas en el medio habría permitido la generación de las proteínas de

las primeras membranas (Martin W. y Russell M. J., 2002).

2. “HIPÓTESIS DE LA REDUCCIÓN”.

Quienes defienden esta hipótesis, aseguran que los virus derivan de organismos

unicelulares, por procesos de reducción que habrían ocurrido en el mundo del ARN. Esta

reducción se basaría en la existencia de una célula, cuyo material genético sería de ARN, que

poseería en su interior otra célula de ARN de carácter parasítico. La célula parasítica habría ido

perdiendo la maquinaria de síntesis proteica y toda la maquinaria de producción energética



(Forterre P., 2006) es decir, en este punto habría perdido sus capacidades metabólicas y

replicativas, realizándolas a expensas de su hospedador. Como cabe esperar, según este

modelo, las proteínas de la cápsida viral, derivan de proteínas celulares y por lo tanto, habría

un paso intermedio entre el “mundo celular” y el “mundo viral”.

Esta hipótesis asume que, dada la gran cantidad de células presentes en el medio, se

habría creado una fuerte presión evolutiva de tipo competitivo de modo que, sólo las células

mejor adaptadas se habrían mantenido por eliminación del resto de los tipos celulares (cuyo

material genético sigue siendo ARN) eliminando al resto de células, la única forma que tendrían

las células poco adaptadas de sobrevivir, sería parasitando a las mejor adaptadas (Figura 13 y

14 b).

Figura 13. El origen de los virus de ARN a partir de células de ARN.

a. Varios linajes celulares (diferentes colores) coexisten en el mundo del ARN, cada uno inventando diferentes maquinarias de replicación (círculos internos) incluyendo el predecesor del ribosoma actual.

a. Los linajes posteriores (azul) habrían eliminado a sus competidores, sobreviviendo algunos de los “poco favorecidos” parasitando los linajes de “mayor éxito”.

b. Esos parásitos celulares darían lugar, con el tiempo, a los virus.

Imagen tomada de Forterre P., 2005.

Los retractores de esta hipótesis exponen dos argumentos claros en contra:

- No se conocen estados intermediarios entre células y virus (Forterre P., 2006).

Realmente, no se han encontrado estadios intermedios entre ninguno de los linajes

celulares, ni entre los grupos filogenéticos que los componen.

- Los organismos que parasitan células de los tres dominios de la vida,

mantienen sus características celulares, como sus propios ribosomas, la maquinaria de

síntesis proteica y la síntesis de ATP. Como es el caso de Micoplasma en Bacterias,

Microsporidia en Eucariotas o Nanoarchaea en Arqueas (Forterre P., 2006).

3. “HIPÓTESIS DE LA FUGA”.

Según ésta, los virus se originaron a partir de fragmentos genéticos que escaparon del

control celular volviéndose parasíticos. Esta hipótesis ha llegado a ser la más popular, en parte

por un simple hecho de descarte de las anteriores, y en parte, porque parte de la base que los

virus actuales pueden integrar en su genoma genes celulares. Según esto, los plásmidos y los

elementos móviles serían precursores víricos. Además, en la versión tradicional, esta hipótesis



predice que los bacteriófagos se originaron a partir de bacterias y los virus eucariotas a partir

del genoma de células eucariotas (Figura 14 a). Sin embargo, en la búsqueda de homologías

entre las proteínas víricas y sus homólogos celulares, se ha encontrado por ejemplo en el caso

del bacteriófago T4 que la mayor parte de las proteínas están más relacionadas con proteínas

eucariotas o de virus procariotas que con sus homólogos bacterianos (Forterre P., 2006).

A

B

Figura 14. Dos hipótesis alternativas para el origen de los virus, que tendrían lugar en la segunda

etapa del mundo del ARN (después de la aparición de las proteínas encargadas de la síntesis proteica).

Los puntos negros corresponden a la maquinaria traduccional (ribosomas ancestrales) y las líneas a

cromosomas lineales de ARN.


El problema que plantean todas estas hipótesis es que se elaboran en el contexto de la

biosfera actual, sin embargo, las cosas pueden llegar a ser muy diferentes si los virus se

hubieran originado antes de la formación de las células modernas: Arqueas, Eucariotas y

Bacterias. Existen evidencias a favor de la antigüedad de los virus, especialmente para los

virus de ARN, multitud de autores, describen a los virus de ARN como reliquias del mundo del

ARN, donde los Retrovirus y/o los Hepadnavirus serían reliquias de la transición ARN/ADN


Para solventar el problema, a continuación se tratará de situar el origen de los virus en

un momento concreto de la evolución, para así de obtener el escenario en el que tuvo lugar

dicho proceso.

LA ANTIGÜEDAD DE LOS VIRUS

La antigüedad de ambos tipos de virus puede ser explicada, salvo en raras excepciones,

porque las proteínas implicadas en la trascripción, replicación, recombinación y reparación



tanto del ARN como del ADN presentan pocas variaciones respecto a sus análogos celulares.

Esto no ha sido sólo observado en proteínas como las topoisomerasas tipo II, sino que en las

que las secuencias de muchas proteínas informacionales víricas que forman clusters

filogenéticos, se comprueba que llegan a estar tan distantes de sus homólogos celulares como

de proteínas de otros dominios celulares. En otros casos, ni siquiera se han encontrado

homólogos celulares reales como las primasas de los virus herpes o las helicasas de ADN y

ARN de la superfamilia SF3, en las que tan sólo se observa una cierta similitud entre alguno de

los dominios que las constituyen (Forterre P., 2006).

Además, la existencia de virus ARN de tipo doble cadena o ds (del inglés “double-

stranded”) y los de cadena sencilla o ss, (del inglés single-stranded) que infectan tanto

bacterias como eucariotas; presentan una estructura y un ciclo vital similar; y además su ARN

polimerasa dependiente de ARN son homólogas; finalmente, las replicasas y transcriptasas de

los virus de ARNds están relacionadas evolutivamente con las de los virus de ARNss (Forterre

P., 2006).

Estos datos muestran que ambos tipos de virus de ARN estarían evolutivamente

relacionados y, su origen se situaría en un momento temprano en la evolución, puesto que

encontramos virus asociados a todos los linajes celulares además, las proteínas virales

debieron originarse independientemente de su hospedador celular.

Por lo tanto, aunque la visión tradicional defiende que los virus eucarióticos de ARN se

originaron a partir de los virus bacterianos de ARN. Sin embargo, un análisis global del árbol de

la vida sugiere que los eucariotas no se originaron directamente a partir de las bacterias, pero

que ambos se originaron a partir de un antecesor común universal, conocido como LUCA, que

no se parecería ni a un eucariota ni a una bacteria, por lo que los virus ya estaban presentes en

los tiempos de la aparición del LUCA, o incluso antes (en el mundo del ARN y las proteínas)

(Forterre P., 2006) (Figura 15).

Figura 15. Árbol filogenético universal construido a partir de secuenciaciones del ARN ribosomal 16S y 18S. La vida celular se origina a partir de un organismo viral (azul).

Imagen tomada de Bamford D. H., 2003



EL ORIGEN DE LOS VIRUS DE ADN

La idea de la polifilia de los virus hace esperar una independencia entre los virus de ADN

y los de ARN, sin embargo existen homologías en el nivel estructural y mecánico entre las

replicasas/transcriptasas de ARN, las transcriptasas inversas y algunas ADN polimerasas,

también se han observado homologías entre helicasas de virus de ADN y de ARN que podría

indicar que los virus de ADN surgieron a partir de los virus de ARN. Además, a partir de

estudios de las proteínas de replicación del ADN, podría admitirse que los virus de ADN

precedieron también a los tres dominios de la vida (Forterre. P, 2006).

Esta línea también apoyaría la existencia de intermediarios entre ambos mundos, como

los retrovirus (con genoma de ARN y un ciclo ARN-ADN-ARN) y los hepadnavirus (con un

genoma de ADN y un ciclo ADN-ARN-ADN). La evolución de estos tipos víricos estaría

fuertemente relacionada y, por tanto, apoyan la idea de que la transición desde el ARN al ADN

ocurrió en el mundo de los virus (Forterre P., 2006)

La transición fue, probablemente, fácil para la síntesis de ácidos nucleicos dado que la

especificidad de las ARN/ADN polimerasas no es muy levada, de hecho se ha visto que la

ARN polimerasa dependiente de ARN de virus del mosaico de Brome puede usar ARN, ADN o

híbridos ADN/ARN. Los virus de ARN debían poseer enzimas que permitieran transformar su

genoma de ARN en un genoma de ADN. Sin embargo, si los virus de ADN se originaron a

partir de los virus de ARN, es lógico pensar que las enzimas requeridas para lograr la

transformación del ARN en ADN debieron surgir antes que los virus de ADN para lograr dicha

transformación (Forterre P., 2006). En este contexto los virus eucariota complejos de ADN,

pudieron formarse por sucesivas rondas de viriogénesis. No obstante, es necesario un virus

inicial que “inventara” el prototipo de las actuales proteínas de la matriz proteica de la cápsida.

Como se ha indicado, existen multitud de autores que apoyan que los virus de ARN debieron

surgir poco antes que las células individuales como replicones de ARN recorriendo

compartimentos inorgánicos. Según este escenario, los virus de ARN infectarían a las células

con ARN, adquiriendo una serie de modificaciones, desde el ARN al ADN, para evitar la

degradación de su ARN por enzimas celulares (actuales enzimas de restricción y de

modificación en bacterias) de este modo, los virus de ARN tendrían que haber formado:

enzimas ribonucleótido reductasas, para transformar los ribonucleótidos diP en

desoxirribonucleótidos diP y enzimas Timidín sintetasa, que transforma los dTMP a dUMP.

Ambas enzimas son totalmente necesarias para la síntesis de ADN (Claverie J. M., 2006).

Considerando la gran diversidad de virus de ADN (especialmente en cuanto a tamaños)

es posible pensar que los primeros virus de ADN surgieron a partir de los de ARN y más

adelante, (Forterre P., 2006) por sucesivas rondas de eucariogénesis-viriogénesis, se habrían

generado toda la multiplicidad de linajes víricos de ADN (Claverie J. M., 2006) (Figura 16).



Figura 16. Posible escenario interactivo para la eucariogénesis y la viriogénesis nuclear.

a. Virus primitivo de ADN infecta una célula de ARN generando un núcleo primitivo.

b. Los genes celulares serían sustituidos por los nucleares, dadas las ventajas adaptativas.

c. Por un momento esta situación es reversible, permitiendo la generación de nuevos virus “pre-eucariotas” que infectarían otras células.

d. Esta situación permitiría la génesis de un pool vírico diverso.

e. La sustitución del ARN celular por ADN encerrado en una membrana daría lugar a la célula eucariota.

Imagen tomada de Claverie J. M., 2006

Para poder explicar el puzzle filogenético, así como la distribución de las proteínas

implicadas en procesos de replicación y trascripción del ADN en los tres dominios filogenéticos,

actualmente se acepta que dichas proteínas implicadas en la replicacón del ADN en eucariotas,

tuvieron que ser de origen viral tipo ADN. Del mismo modo, este mismo tipo de virus tuvieron

que ser los que dieron lugar al núcleo de las células eucariotas gracias a una infección vírica en

una célula cuyo material genético era el ARN, hasta que finalmente lo integraría como un

orgánulo. Por lo tanto, según esta hipótesis quedaría también explicado la viriogénensis

nuclear, algo bien documentado en algas rojas parasíticas (Claverie J. M., 2006).

Estos autores defienden la polifilia vírica estaría presente antes de la aparición de LUCA,

manteniéndose a lo largo de la evolución y de los linajes celulares (Bamford D. H., 2003)

(Figura 17).

Figura 17. Origen celular monofilético

(azul), en contraste con el origen polifilético de

los diferentes linajes víricos (verde, rojo y

amarillo).

Imagen tomada de Bamford D. H., 2003.



EL ORIGEN DEL ADN

Desde que en 1988 Lazcano y sus colaboradores propusieron que el ARN tuvo que ser

reemplazado por el ADN en el curso de la evolución debido a su mayor estabilidad (por

eliminación del oxígeno activo de la ribosa 2´) y gracias a las posibilidades de reparación de

errores (por desaminación de la citosina a uracilo de modo espontáneo), se ha mantenido este

razonamiento considerando que el ADN habría permitido adquirir un mayor tamaño genómico y

con éste una mayor complejidad en los organismos que lo poseían (Lazcano et al., 1988) sin

embargo, el proceso mediante el cual se producía dicha transición se ha hecho esperar varias

décadas. No obstante, las últimas publicaciones siguen cargadas de razonamientos

Darwinistas, de validez un tanto dudosa a la hora de razonar cualquier proceso evolutivo. En

cualquier caso, será mostrada a continuación.

Si el reemplazamiento del ARN hubiera ocurrido en virus, se supone que les habría

conferido alguna ventaja adaptativa, esta argumentación Darwinista se ve reforzada por la

existencia determinados virus que poseen una serie de modificaciones en su ADN que evitan

su degradación por las nucleasas. El proceso se habría producido en varias etapas (Figura 18):

1. La aparición de una enzima con actividad ribonucleótido-reductasa en los virus,

produciría una modificación del ARN, permitiendo la aparición del Uracilo. En

este paso, ya tendríamos un genoma de ADN con uracilos (U-DNA) (Forterre

P., 2006), los defensores de esta hipótesis se apoyan en la existencia de virus

actuales con uracilos en su ADN, que serían reliquias de esa transición. Según

esto, los virus de ARN actuales, han adquirido mecanismos alternativos de

protección del material genético.

2. La aparición en algunos virus de U-DNA de una enzima con actividad timidín-

sintetasa, habría permitido la modificación de los uracilos a timiditas, siendo

reemplazados en todo su genoma (Forterre P., 2006). De nuevo, la

argumentación en la que se apoyan es la existencia de virus actuales con la

capacidad de sintetizar ambas enzimas por sí mismos.

Figura 18. Esquema de la transición de genomas de ARN a ADN. En la virosfera, existen todo tipo de genomas, pero sólo los genomas de tipo T-DNA se han mantenido en células modernas.

(RNR: Ribonucleótido-reductasa. TdS: timidín-sintasa. HmcT: hidroximetilcitosina-transferasa.)




El origen del ADN en los virus, es una idea que se ve reforzada por la existencia de

múltiples y diversas proteínas encargadas de la replicación del ADN, que habrían surgido

varias veces en la historia evolutiva, independientemente en cada tipo de virus, y en varios

pasos:

1. Un virus de tipo ARN-ss, en su proceso de replicación produce un intermediario

ADN/ARN, generándose una copia ADN-ss. En este paso mediante una enzima

capaz de transcribir el ADN en ARN o retrotranscribir el ARN a ADN (Forterre

P., 2006).

2. La diversificación de los linajes víricos de ADN y la aparición de las ADN

polimerasas dependientes de ADN, habrían dado lugar a los virus de ADN sin

intermediarios de ARN y generándose ADN-ds (Forterre P., 2006)

Seguramente, el primer genoma ADN-ds, se replicaría una y otra vez, utilizando

tan sólo la ADN polimerasa. A lo largo de la evolución, habrían ido surgiendo

las helicasas y todo el conjunto de factores que ayudan a la ADN polimerasa


En general, el proceso evolutivo de la maquinaria replicativa, según Forterre P.,

se basaría en la homología entre las proteínas de la replicación del ARN y las

de ADN.

Teniendo en cuenta que, si tanto la parición del ADN, como su maquinaria replicativa

surgieron en la virosfera, previamente a la aparición de LUCA, podría explicarse la extensión

de esta estructura y estos mecanismos en todos los linajes celulares. Las dos posibilidades

más plausibles serían o bien, que la transmisión tanto del ADN como de la maquinaria

replicativa se produjeran en el estadio intermedio de ARN/ADN y que la posterior evolución

ocurriera de un modo paralelo en virus y celular; o bien, que la formación se diera íntegramente

en los virus y la transmisión a las células se produjera después (Forterre P., 2006) (Figura 19).

Figura 19. Esquema de la extensión del ADN y la maquinaria replicativa a los linajes celulares, originada íntegramente en la virosfera.

Imagen tomada de Zimmer C. et al., 2006



El proceso por el cual las células habrían modificado su material genético, es del mismo

modo, desconocido y por supuesto, controvertido. Sin embargo, de nuevo Patrick Forterre

plantea varias hipótesis:

- Las células podrían haber “aprendido” de los virus a sintetizar su propio ADN, gracias a

la captura selectiva de virus que poseían genes codificantes para la ribonucleótido-

reductasa, la timidín-sintasa y las proteínas replicativas (Forterre P., 2006).

- Algunos virus podrían tener la capacidad de tomar el control completo de la célula con

ARN que infectaran, transformando su ARN en ADN (Zimmer C., et al., 2006).

- Por analogía con actuales virus de ADN que se mantienen en el interior del ADN celular,

las antiguas células de ARN podrían albergar virus de ADN en su genoma. Algunos de

esos virus podrían haber dado lugar a los plásmidos, por pérdida de los genes

codificantes de las proteínas de la cápsida y/o de genes codificantes de proteínas

implicadas en el mecanismo infeccioso. Si la célula o el virus hubieran tenido actividad

retrotranscriptasa, ese plásmido de ADN podrá haber integrado cada vez más genes

celulares gracias a la mayor eficiencia de replicación, respecto al cromosoma de ARN de

la célula. El final del proceso conllevaría la eliminación total del ARN celular (Forterre P.,

2006). (Figura 20).

Figura 20. Modelo de transferencia de ADN desde los virus hasta

las células. (Genoma de ADN en rojo y genoma de ARN en azul).

a. Infección de un virus de ADN a una célula de ARN.

b. Coevolución de ambos.

c. Transmisión del genoma vírico al celular por retrotrascripción y el genoma vírico queda formando un plásmido celular.

d. El plásmido completa el proceso de formación del cromosoma de ADN.


EL ORIGEN DE LOS LINAJES CELULARES

Cuando se hace una observación del árbol universal de la vida, algo que puede verse de

un modo claro es que la vida celular está íntimamente ligada al mundo de los virus, de modo

que a simple vista, ya podría intuirse la relación entre ambos a lo largo de la historia evolutiva

(Bamford D. H., 2003). (Figura 21).



Figura 21. Las formas celulares actuales poseen integrado en su genoma material genético de origen vírico.

Imagen tomada de Bamford D. H., 2003.

Si nos basamos en los procesos de transferencia del ADN desde el genoma vírico hasta

las células, junto con la maquinaria de replicación, y observamos las diferencias estructurales

en los diferentes dominios, podemos detectar una clara falta de homología entre todos ellos.

Aunque existen varias hipótesis al respecto, que difieren en el número de transferencias y el

momento de las mismas, tan sólo me detendré en una de ellas, dado que es la última en

aparecer y a la que más se hace regencia en los estudios evolutivos.

Teniendo en cuenta que la diversidad vírica tuvo que ser muy antigua, ya previa al

antecesor celular, para permitir el incremento del número de escenarios evolutivos (Claverie J.

M., 2006), de esta hipótesis podría deducirse que tuvo que haber tres procesos de transmisión

de ADN y maquinaria replicativa que darían lugar a los diferentes dominios. Su argumentación

se basa en la falta de homología entre las proteínas de la maquinaria de replicación entre los

eucariotas y las arqueas. De este modo, habrían existido, al menos, tres linajes víricos de ADN,

previos a la aparición del ADN en la célula, que habrían transferido su ADN generando tres

linajes celulares diferentes (Forterre P., 2006) (Figura 22).

Figura 22. Modelo de transferencia del ADN desde los virus a las células. El proceso mencionado se habría producido tras la formación de LUCA, dando los tres linajes celulares.




LOS VIRUS Y EL ORIGEN DE LA CÉLULA EUCARIOTA

La existencia de proteínas eucariotas específicas, que carecen de homologas en las

arqueas y en las bacterias, junto con la imposibilidad de explicar la formación los complejos de

poro en la membrana nuclear eucariota, (Forterre P., 2006) han sido junto a otras, las

cuestiones que han llevado a revisar la ya conocida teoría endosimbionte de Margulis para

explicar el origen del núcleo celular.

La eucariogénesis, viral surgió en 2001 como una hipótesis alternativa cuyo objetivo era

solventar, sobretodo, el problema de la existencia de los poros nucleares, mediante la infección

de organismo similar a un procariota, por parte de un gran virus de ADN-ds. El mejor candidato

posible para realizar dicha infección, habría sido un tipo de virus llamado Poxovirus, dado que

estos virus poseen reminiscencias del ciclo celular, así como determinadas enzimas que

indican un paralelismo con las células eucariotas (Forterre P., 2006). En cuanto al hospedador,

las ideas son más variables, por una parte, hay quienes opinan que el hospedador habría sido

una arquea, lo cual explicaría el parecido entre la maquinaria replicativa de arqueas y

eucariotas; y quienes consideran la posibilidad de una célula proto-eucariota con una

membrana similar a la bacteriana y una maquinaria replicativa similar al de las arqueas. Incluso

se habla de dobles eucariogénesis víricas en cada linaje celular (Forterre P., 2006).

EL ORIGEN DE LAS MITOCONDRIAS Y LOS CLOROPLASTOS

Según estudios de comparación genómica y datos filogenéticos, desde 1998 se acepta

que las mitocondrias proceden de α-proteobacterias sin embargo, estudios posteriores nos

muestran que la ARN polimerasa que transcribe el genoma mitocondrial, no posee homólogos

bacterianos sin embargo, se ha encontrado en el bacteriófago T3/T7 y relacionados. De hecho,

se han encontrado helicasas y ADN polimerasas implicadas en la replicación del ADN

mitocondrial similares en este grupo de virus. Estos datos hacen pensar en la posibilidad de

que una α-proteobacteria con un provirus T3/T7 en su interior que poseyera los genes

codificantes para estas enzimas, fuera el origen de las actuales mitocondrias. Por otra parte,

según esta hipótesis, la encima viral de los cloroplastos se habría originado por una duplicación

de los genes víricos que codifican para las ARN polimerasas mitocondriales (Forterre P., 2006).



A pesar de la gran variedad de hipótesis, muchas de ellas excluyentes, que rodean a

todos los intentos de explicar nuestro origen, en general, toda esta información nos muestran

por un lado, la enorme diversidad vírica entre la que nos movemos, por lo que no sólo es que

vivamos en un mar virtual de virus, como dice D.M. Bamford, sino que además empezamos a

ser conscientes de la inmensa variedad de virus que “flotan” en ella; y por otro lado su papel

fundamental en la vida como la conocemos, dadas las similitudes genéticas encontradas con

los organismos de las tres ramas del árbol de la vida y la multitud de secuencias retrovirales

que presenta nuestro genoma, todo parece indicar que los virus no sólo están ejerciendo un

papel fundamental en el equilibrio natural del planeta, sino que además están presentes en

todos nosotros.

I. INTRODUCCIÓN. - Somos Bacterias y Virus · los virus contacten con bacterias que con protistas...

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