Els virus com a éssers viscuts

La definició de vida pot centrar-se en la funció o bé en l’estructura. En el primer cas (nutrició, relació, reproducció) hom fixa l’atenció en la interacció de l’ésser vivent amb el medi. En el segon hom atorga preeminència a les estructures i característiques del propi ésser viu. La contradistinció entre les dues definicions queda ben patent en el cas de la controvèrsia sobre si els virus són o no organismes vivents. Els primers assenyalarien que els virus realment poden nodrir-se (captar energia per les reaccions químiques necessàries per la seva pròpia existència), relacionar-se (respondre a estímuls del medi per tal d’optimitzar el seu èxit com a paràsits) i, sobretot, reproduir-se. Els segons ens diuen que no són éssers vius perquè manquen de la maquinària cel·lula necessària per realitzar aquestes funcions. Justament per això han de parasitar cèl·lules per poder tancar el seu cicle de desenvolupament. En una entrevista al darrer número de El Temps, Ricard Guerrero, entrevistat per Núria Cadenes, afirma que els virus no són éssers vius sinó que són éssers viscuts. Ho diu en dos sentits: que el virus és viscut per la cèl·lula que el pateix (és la maquinària cel·lula la que sintetitzar les proteïnes i els àcids nucleics virals, i la que li dóna, si s’escau, un tros de la seva membrana) i que el virus en darrer terme és descendent d’una cèl·lula degenerada o d’un component cel·lular independitzat.

[@more@]

 

Els virus tenen mala premsa, com a mínim els que infecten humans, o bé plantes o animals d’interès econòmic. Però no hem d’oblidar que l’enemic dels nostres enemics és el nostre amic. En la imatge veiem un bacteri atacat per virus bacteriòfags. Els bacteriòfags ajuden a controlar, per exemple, la població bacteriana dels nostres budells (Vegeu, per exemple “Bacteriophage: an old weapon against bacteria reemployed”)

Els virus filtrables

En pensar en "vida" l'associem majoritàriament amb el nostre propi cos o amb la nostra activitat mental, o bé amb la dels animals i vegetals que en són més propers. La nostra escala d'atenció va de les dècimes de milímetre fins a les desenes de metres. Se'ns fa doncs difícil copsar íntegrament un ecosistema, però ens és definitivament impossible fitar a ull nu coses que no arribin als 0,1 mm.

El desenvolupament de les tècniques de tallar vidre a l'Holanda de finals del segle XVI ens obrí mons nous mitjançant lents que ens permetien amplificar objectes grans però massa allunyats o objectes propers però massa petits. Si l'aplicació de les primeres lents fou ben exitosa ja a començaments del segle XVII (Galileo), l'aplicació en la construcció de microscopis fou més lenta. Cal esperar-se al 1676 perquè Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) descrigui amb el seu microscopi artesanal l'existència d'éssers vius fins llavors desconeguts: els microorganismes. Durant gairebé dos segles els microorganismes no passaren, en general, d'ésser considerats una mera curiositat naturalística. En aquest sentit, Louis Pasteur (1822-95) juga un paper central: mostra la intervenció de microorganismes en processos com la fermentació del vi, i fonamenta l'explicació microbiològica de les malalties infeccioses.

En la cursa per trobar els microorganismes responsables de cada malaltia infecciosa, humana, animal o vegetal, era un punt determinant poder observar-los al microscopi i, sobretot, cultivar-los en el laboratori. La paraula virus en aquesta època (segona meitat del XIX) indica força infecciosa. Hom assumia que fins i tot els virus més petits devien quedar retinguts en filtres de porus ben petits, i efectivament el filtratge es presentava com una tècnica alternativa i complementària de desinfecció a les altes temperatures i pressions (autoclau). A això es dedicà, per exemple, en Charles Chamberland, col·laborador de Pasteur, i que el 1884 dissenyà un filtre de porcel·lana que retenia fins i tot el bacteri més minúscul.

Dimitri Ivanovksy (1864-1920) aplicà els filtres de Chamberland a l'estudi de l'agent infecciós del mosaic de la planta de tabac. Es trobà que l'agent infecciós d'aquesta malaltia no hi podia ésser filtrat, ja que extractes filtrats de fulles de plantes malaltes conservaven la infectivitat (1892). Aquesta malaltia que tant llavors com ara és una de les causes principals de pèrdues en la collita del tabac. Martinus Beijerinck (1851-1931) i d'altres investigadors assenyalaren que els agents infecciosos filtrables pertanyien a una nova categoria científica, i progressivament hom restringí l'ús del terme virus a aquests organismes. En les primeres dècades del segle XX hom demostrà l'existència de virus responsables no tan sols de malalties vegetals, animals i humanes (p.ex. la ràbia), sinó que també hi ha virus que afecten bacteris i fongs que, al seu torn, són agents infecciosos. El virus del mosaic del tabac es convertí en l'organisme de referència d'aquesta categoria biològica i, el 1935 l'aconseguia cristal·litzar en Wendell Stanley (1904-71). La forma infectiva dels virus es revelaven com uns complexos de proteïnes i àcids nucleics, biològicament inerts.

L’observació directa dels virus (en la imatge l’agent del mosaic del tabac, que fa uns 3·10-7 m de llargada) no es va poder realitzar fins la introducció del microscopi electrònic després de la guerra mundial. En tot cas, les eines més importants per la virologia moderna han vingut de la mà de la genètica molecular).

Una classificació genòmica dels virus

 

La cristal·lització de Wendell Stanley tingué lloc en un moment que es debatia si eren les proteïnes o els àcids nucleics els portadors de la informació biològica, els responsables químics de l’herència genètica. En un principi semblava que el cristall del virus del mosaic del tabac era format únicament per proteïnes. Més tard es demostraria que també hi ha àcids nucleics (concretament àcid ribonucleic, ARN). Fet i fet, si els cristalls del virus del mosaic de tabac són desnucleïtzats perden la seva capacitat infectiva, mentre que la desproteïnització no n’elimina la capacitat infectiva.

En les cèl·lules, la informació genètica es troba en forma d’una o més molècules de doble cadena d’ADN (la famosa doble hèlix). Aquestes molècules poden ser linials (com passa amb els nostres cromosomes) o circulars (com és el cas de la majoria de bacteris). L’ADN cel·lular conté la informació necessària per sintetitzar proteïnes en un flux ADN -> ARN -> proteïnes. En el virus la cosa és més complexa.

Els virus es poden classificar doncs en tres grans grups i en diferents subdivisions. Aquestes agrupacions, és clar, no reflecteixen necessàriament relacions filogenètiques o de parentiu, les quals queden registrades en el nivell taxonòmic inferior (les famílies que s’adscriuen a cada agrupació):

– Virus d’ADN. Utilitzen l’ADN com a molècula genòmica. El flux d’informació és el mateix que té lloc en els organismes cel·lulars: ADN -> ARN -> proteïnes.

+ Grup I. Tenen com a molècula genòmica ADN bicatenari. És el cas del virus de l’herpes o de la verola. Hom suposa que aquests virus són descendents directes de cèl·lules degenerades.

+ Grup II. Tenen com a molècula genòmica ADN monocatenari.

– Virus d’ARN. Utilitzen l’ARN com a molècula genòmica, sense recòrrer a l’ADN en cap part del seu cicle de desenvolupament. Per tant la informació segueix l’esquema ARN -> proteïnes.

+ Grup III: Tenen com a molècula genòmica ARN bicatenari.

+ Grup IV: Tenen com a molècula genòmica ARN monocatenari de lectura directa (és a dir, orientat de forma que és directament traduïble a proteïnes). És el cas per exemple del virus de la rubeola.

+ Grup V: Tenen com a molècula genòmica ARN monocatenari de lectura indirecta (la qual cosa suposa la necessitat d’un pas previ de síntesi d’una cadena d’ARN complementària per poder sintetitzar les proteïnes víriques). És el cas del virus del sarampió.

– Virus d’ADN/ARN. Aquests virus alternen un cicle genòmic que passa per una molècula d’ADN bicatenari i una molècula d’ARN monocatenari. Per poder tancar el cicle, han de retrotranscriure l’ARN a ADN. Esquemàticament tenim que el flux d’informació és ADN <-> ARN -> proteïnes.

+ Grup VI: La forma infectiva porta com a molècula genòmica ARN monocatenari. La retrotranscripció a ADN es realitza poc després de la infecció de la cèl·lula. És el cas dels retrovirus (com ara, el virus de la immunodeficiència humana).

+ Grup VII: La forma infectiva porta com a molècula genòmica ADN bicatenari. Aquest ADN bicatenari s’ha sintetitzat a partir de la retrotranscripció d’ARN monocatenari. És el cas del virus de l’hepatitis B.

 

Dos camins cap a la subcel·lularitat: virogènesi i simbiogènesi

 

Hem dit abans que els virus d’ADN bicatenari són probablement descendents d’organismes cel·lulars (segurament bacteris) que han perdut estructura i independència funcional. El seu cicle vital consisteix en una fase intracel·lular metabòlicament activa però estructuralment indiferenciada de la cèl·lula hoste (precisament per això poden enganyar la cèl·lula infectada i convertir-la en una fàbrica de virus fills); i una fase extracel·lular que es redueix a l’ADN genòmica, una coberta proteica (i, eventualment, membranosa) i poca cosa més. Se’ns pot fer difícil, si coneixem la complexitat estructural de la cèl·lula més modesta imaginar quins van ser els passos d’aquest camí evolutiu. Una pista ens la pot donar una enumeració senzilla de paràsits intracel·lulars actuals:

legionel·les. Les legionel·les tenen com a hàbitat òptim l’interior de certes amebes. Facultativament poden infectar també cèl·lules del tracte respiratori humà (on poden arribar a produir pneumònia). Però les legionel·les també poden sobreviure en l’exterior, si bé amb més dificultats. Entre les formes intracel·lulars i extracel·lulars de legionel·les no hi ha gaires diferències estructurals, per bé que sí de funcionals.

riquètsies. Les riquètsies són paràsits intracel·lulars d’insectes, i algunes d’elles poden infectar cèl·lules de vertebrats. El seu parasitisme intracel·lular és obligat. Fet i fet, la fase extracel·lular del cicle vital de la riquètsia és metabòlicament inactiva, i és condemnada a morir sinó troba una cèl·lula infectable. Però en la fase intracel·lular les riquètsies, a diferència dels virus, mantenen una estructura pròpia, amb una membrana pròpia a través de la qual prenen nutrients de la cèl·lula hoste. D’altra banda, les riquètsies sintetitzen amb una maquinària pròpia els seus àcids nucleics i proteïnes.

mimivirus. Els mimivirus són paràsits intracel·lulars d’amebes. De tots els virus coneguts són els que tenen el genoma més complex. Conserven unes engrunes de maquinària biosintètica pròpia si bé, a grans trets, han de seguir el cicle de desenvolupament típic dels altres virus d’ADN (com els herpesvirus i els poxvirus).

La virogènesi hauria tingut lloc diverses vegades en la història evolutiva. Fet i fet, la reducció d’estructures i funcions innecessàries en la fase intracel·lular, i l’especialització de la fase extracel·lular per optimitzar noves infeccions, són trets comuns de tots els paràsits intracel·lulars. Els virus en aquest sentit serien organismes subcel·lulars transmissibles.

Hi ha un altre camí cap a la subcel·lularitat. És el que Lynn Margulis (*1938) va postular el 1968 com el mecanisme d’aparició d’orgànuls subcel·lulars com els mitocondris i els cloroplasts. Com abans podem trobar casos moderns que ens il·lustrin les possibles etapes del procés:

associació Paramecium bursaria – Zoochlorella. En l’interior del ciliat P. bursaria trobem centenars de zooclorel·les. Aquestes algues verdes troben en el parameci un ambient protector i un medi de transport cap als nutrients inorgànics i la llum. Alhora, el parameci treu bona part del seu aliment de l’excedent de matèria orgànica generat per les zooclorel·les. Tots dos tipus cel·lulars, però, mantenen la independència estructural i genètica.

Bacteris endosimbionts d’insectes. Aproximadament un 15% dels insectes allotgen en el seu interior bacteris que viuen en òrgans especialitzats (bacteriomes). La interrelació entre l’insecte i el bacteri endosimbiont és més pronunciada que en el cas anterior: els insectes sense bacteris no poden sobreviure en el medi natural, i els bacteris fora de l’insecte no poden proliferar. Malgrat aquesta interdependència obligada, els bacteris conserven la maquinària de síntesi dels seus àcids nucleics i proteïnes. També conserven la independència estructural.

Mitocondris. Els mitocondris són orgànuls presents en la majoria de tipus cel·lulars d’animals, plantes, fongs, protozous i algues. Són ells el qui consumeixen oxigen i generen la major part de l’energia necessària pels processos cel·lulars. Mantenen una independència estructural i es dupliquen per fisió d’una manera relativament autònoma al cicle cel·lular. Conserven, però, tan sols un genoma residual (ADN mitocondrial) i part de la maquinària de síntesi de proteïnes i àcids nucleics l’han d’importar del citoplasma.

Al contrari de la virogènesi, la simbiogènesi produeix orgànuls subcel·lulars no-transmissibles. Aquests endosimbionts es transmeten verticalment de cèl·lules mares a cèl·lules filles. Per això, els mitocondris del nostre cos són tots heretats de la mare (a través de l’òvul).

Genomes autònoms que no són genomes vírics: el camí de la independència genòmica

La virogènesi, però, no s’atura en els virus pròpiament dits. Pot continuar. El genoma víric, ja sigui d’ADN o ARN, conserva informació per la síntesi de diferents proteïnes víriques (enzimàtiques o estructurals). Però fins i tot aquesta capacitat es pot perdre. Hi ha organismes infecciosos que consisteixen únicament en ADN o ARN no-codificant. Vegem-ne les tres grans agrupacions.

viroids. Consisteixen en una molècula d’ARN d’una sola cadena però replegada en ella mateixa. Aquests replegament l’ajuden a sobreviure en el medi extracel·lular. Per reproduir-se infecten cel·lules vegetals, que sintetitzen noves còpies de l’ARN viroidal en confondre’l amb ADN propi.

virus satèl·lits. La forma extracel·lular consisteix en un ARN monocatenari recobert per una sèrie de proteïnes. Curiosament aquestes proteïnes no són codificades en l’ARN. D’on venen doncs? Molt senzill. Els virus satèl·lits no tan sols són paràsits d’una cèl·lula (normalment d’insecte o de planta) sinó que manlleven les proteïnes d’un virus complet. Això fa que els virus satèl·lits tan sols es puguin reproduir en tipus cel·lulars prèviament infectats per un virus que els hi sigui compatible.

– àcids nucleics satèl·lits. Els àcids nucleics satèl·lits es comporten de forma similar als virus satèl·lits, en el sentit que parasiten doblement una cèl·lula i un virus complet. L’única diferència és que en la fase extracel·lular l’àcid nucleic va nu. El genoma pot consistir en ADN monocatenari, ARN bicatenari o ARN monocatenari (que es pot troba en forma linial o circular, com en els virusoids).

Aquests genomes subvirals conserven, però, la capacitat infectiva: és a dir, poden saltar d’una cèl·lula a una altra. També hi ha genomes vírics que, en haver perdut la capacitat infectiva, resten permanentment associats a un organisme hoste com a endovirus. El panorama de genomes autònoms no es completa sinó hi afegim una sèrie d’altres elements que trobem associats a genomes cel·lulars. Vegem-ne alguns exemples:

– els plasmidis es presenten sovint com a petites molècules circulars d’ADN bicatenari. Molts bacteris en són portadors. Els plasmidis poden contenir informació per la síntesi de proteïnes i, de vegades, gràcies a ells el bacteri que els hostatja pot resistir a un antibiòtic o realitzar una determinada reacció metabòlica. Normalment, els plasmidis es transmeten verticalment (d’una cèl·lula mare a les dues cèl·lules filles). En certa forma podem considerar l’ADN mitocondrial com un tipus de plasmidi.

– els transposons de classe II són fragments d’ADN que codifiquen per un enzim, la transposasa. Es troben inserits en genomes cel·lulars, però aquesta activitat enzimàtica fa possible que puguin canviar de lloc (p.ex. saltar a un altre cromosoma). De vegades la transposició implica la generació d’una nova còpia.

– els retrotransposons deriven probablement de virus dels grups VI o VII. En aquells virus la informació genòmica alterna una fase d’ADN i una fase d’ARN. El mateix passa amb el retrotransposons, amb la diferència que aquests no tenen la capacitat de generar formes extracel·lulars. Així, els retrotransposons es troben inserits en el genoma hoste en forma d’ADN de doble cadena; les còpies d’ARN es poden retrotranscriure a ADN i inserir-se en altres punts del genoma.

Aquests elements genètics reben el nom d’elements mòbils, perquè es poden moure a través del genoma que els hostatja o saltar-hi en fora.

Teories evolutives sobre els virus: o com múltiples camins originaren i originaran virus filtrables

 

En línies generals hi ha dos possibles orígens pels virus:

– els virus més complexos, especialment els del Grup I són probablement descendents de cèl·lules especialitzades en la parasitació intracel·lular. Aquests virus complexos poden evolucionar a virus més simples d'ARN o esdevindre virus satèl·lits.

– els virus més simples podrien haver sorgit a partir d’elements mòbils com els citats en l’apartat anterior. Per exemple, els retrovirus podrien haver evolucionat a partir de retrotransposons (però també podria ser just a l'inrevés). Enguany fa trenta anys de la publicació de The Selfish Gene, de Richard Dawkins, l’argumentació del qual partia justament d’aquests elements mòbils del genoma. 

Mancats del recurs al registre fòssil, per reconstruir les relacions evolutives entre les diferents famílies de virus, cal basar-se en la comparació dels virus coneguts (que no són sinó una ínfima part de tots els existents). I aquesta comparació es fa a la llum de la teoria evolutiva contemporània, la qual ens diu que la força motriu de l'evolució biològica és la selecció natural. 

Però la selecció natural és cega. Una forma d'aproximar-nos-hi és concebre la totalitat del material genètic replicable (ja sigui en forma d'ADN o d'ARN) com una mena de genoma global o, per analogia a la biosfera, com una genosfera. La potencialitat de replicació és enorme, com mostren alguns virus capaços de replicar tot el seu genoma en qüestió de segons. Però els recursos energètics i materials dels quals depén la replicació aquest genosfera fa que la quantitat de material genètic no pugui augmentar amb el temps. Que la quantitat de material genètic sigui constant (a grans trets) no significa que el seu contingut sigui immutable. El genoma global evoluciona en el sentit que la distribució dels seus elements individuals (enteses com a gens o, millor, com a seqüències genètiques) varia. I de què dependrà aquesta variació? Del fet que els elements individuals proliferen a diferents ritmes: uns més, uns altres menys, i uns altres minven o desapareixen. No hi ha dubte que una part de l'èxit replicatiu és deguda a l’atzar o, en tot cas, a fenòmens aliens al contingut genètic: perturbacions atmosfèriques, catàstrofes geològiques, expansions econòmiques d'una espècie intel·ligent, etc. Però d’altres depenen del contingut del genoma: els continguts que puguin replicar-se a major ritme en un ambient determinat seran els continguts que dominaran el genoma global en el futur més immediat. D’aquesta forma, si una seqüència genètica s’associa a un element mòbil d’èxit es difondrà més que si depén exclusivament del ritme de replicació general del genoma cel·lular. I un element mòbil d’èxit tindrà més èxit si té la capacitat de transmetre’s (i llavors parlem de virus satèl·lit). Però alhora la selecció natural també pot operar en el sentit contrari i fer que allò que ara és una cèl·lula endosimbiont esdevingui un orgànul (si és que això confereix més replicabilitat als gens de la cèl·lula endosimbiont). És clar que l’especialització fomentada per la selecció natural a curt termini es pot girar en contra: un virus adaptat a la infecció òptima d’un tipus cel·lular concret d’una espècie animal molt concreta es pot veure condemnat a mort si aquesta espècie desapareix per factors aliens. En el fons, allò que Darwin i Dawkins ens diuen pot semblar una veritable bernatada: sobreviuen els que tenen una millor capacitat de supervivència.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada