Virus, bacterias y Darwin

Gran parte de las innovaciones evolutivas presentes en la vida actual se originaron en los microorganismos o surgieron como mecanismos de defensa frente a ellos, hasta el punto de poder afirmar que la biosfera que existe actualmente es como es gracias a la gran capacidad evolutiva de todos esos seres invisibles a nuestros ojos.

A finales de 2019, un virus hasta entonces desconocido, el denominado SARS-CoV-2, comenzó a propagarse en nuestra especie a un ritmo vertiginoso. Simultáneamente a la expansión del virus, también se acrecentó el temor de que este pudiera mutar hacia una forma más contagiosa o más letal. La sucesiva aparición de nuevas variantes, más transmisibles o que resisten parcialmente la acción de los anticuerpos, nos muestra cómo la selección natural ejerce su acción en tiempo real. A día de hoy, la conclusión es que para acabar con esta pandemia necesitamos entender cómo es la evolución del virus y, en cierto modo, adelantarnos a ella.

Siguiendo en el ámbito sanitario, otro problema de actualidad es la rápida expansión de las bacterias resistentes a los antibióticos, esas moléculas capaces de inhibir el crecimiento bacteriano y que han sido cruciales para combatir las enfermedades infecciosas. Nuevamente estamos ante un ejemplo de cómo, en presencia de antibióticos, la selección natural favorece a las bacterias que han conseguido adquirir algún mecanismo de resistencia frente a ellos. De acuerdo con estimaciones recientes, aproximadamente 700 000 personas mueren cada año como consecuencia de infecciones por este tipo de bacterias, una clara indicación de la severidad del problema.

Hace ya más de siglo y medio que Charles Darwin publicó su libro El origen de las especies en el que establecía que la evolución es un proceso lento, que ocurre gracias a la acumulación de pequeños cambios que ocurren por azar y sobre los que actúa la selección natural, favoreciendo a los individuos portadores de las modificaciones más ventajosas. ¿Cómo reconciliamos esta evolución lenta y gradual con los rápidos cambios que ocurren en virus y bacterias?

Bacteriófago
iStock

Los importantes microorganismos

Darwin focalizó su atención en la comparación de las características físicas de los organismos observables a simple vista. Aunque en su época ya se conocían los microorganismos, las dificultades para su observación complicaban identificar diferencias entre ellos, de modo que su enorme diversidad y su importancia en la biosfera global permanecieron ocultas durante todavía varias décadas.

En tiempos de Darwin tampoco se conocía cuáles eran los mecanismos que permitían generar variabilidad en los seres vivos. El descubrimiento en la primera mitad del siglo xx de que el ADN era el material hereditario permitió ligar los cambios en las características de los organismos (el denominado fenotipo) a los cambios o mutaciones que se producían en el ADN (el genoma o genotipo). Se abría así la puerta al estudio de la evolución a través de la comparación de los genomas de las distintas formas en que la vida se manifiesta.

En el mundo de los microorganismos —que incluye virus, bacterias, y arqueas— la genómica comparativa ha supuesto una auténtica revolución, ya que ha permitido comprobar que los mecanismos de generación de variabilidad pueden ir mucho más allá de los pequeños cambios de los que hablaba Darwin. Además de las mutaciones que ocurren en el ADN, como consecuencia de los errores que se producen durante su copia o del daño producido por diversos agentes, en el mundo de los microorganismos existe una gran promiscuidad genética, que se manifiesta en el intercambio de material genético entre miembros de la misma especie o de especies diferentes. De este modo las innovaciones evolutivas se transmiten rápidamente y el concepto de especie puede incluso dejar de tener sentido.

Otro hecho relevante es que, en general, la replicación de los genomas de los microorganismos tiene lugar con tasas de error más elevadas que las de los organismos multicelulares. Esta circunstancia, unida a su rápida reproducción y al elevado número de individuos que suelen componer sus poblaciones, supone que el repertorio de mutantes sobre el que puede actuar la selección natural es mucho más amplio que en otros sistemas. La consecuencia es que la evolución se acelera enormemente, pudiendo ser observable en tiempo real.

Observando la evolución en directo con los virus de ARN

En el mundo viral existe algo único y es que, en algunos casos, la información genética puede almacenarse en el ARN. Esta molécula está formada por la unión de unas unidades más simples denominadas nucleótidos (que pueden ser de cuatro tipos: A, U, C y G), hasta formar una cadena que puede contener miles de ellos. El orden en el que se disponen los nucleótidos es el que determina la información, del mismo modo que el orden en que se suceden las sílabas y las palabras en un texto es lo que le da sentido. El ADN es una molécula similar pero formada por la unión de dos cadenas en las que la U es sustituida por una T.

La particularidad de los virus de ARN es que la copia de su genoma, algo que ocurre siempre que cualquier virus se multiplica, tiene lugar con tasas de error mucho más altas que las de los virus de ADN. Esto se debe en parte a que las actividades necesarias para copiar el ARN carecen de la capacidad para corregir errores (algo que sí poseen las que copian el ADN), lo que supone que por cada 10 000 nucleótidos copiados, que es la longitud típica de un genoma de ARN, se produce aproximadamente un error.

Otros importantes mecanismos de generación de variabilidad en virus son la recombinación y la reorganización de segmentos genómicos. La recombinación tiene lugar cuando fragmentos genómicos de virus distintos se reúnen en el mismo genoma. Es un mecanismo muy frecuente en retrovirus y coronavirus y puede producir cambios mucho más drásticos que los errores puntuales que hemos mencionado antes. Por último, la reorganización de segmentos genómicos tiene lugar en virus como el de la gripe, en los que el material genético está segmentado. Cuando una misma célula es infectada por dos virus distintos, los virus progenie pueden contener una mezcla de segmentos genómicos de los dos virus parentales. Estos nuevos virus pueden escapar total o parcialmente al reconocimiento por el sistema inmune, siendo capaces de desencadenar pandemias.

Condiciones ventajosas

Dada la rapidez con la que se multiplican los virus y el elevado tamaño de sus poblaciones, que pueden estar formadas por más de 10-12 individuos, es fácil intuir el gran número de mutantes (también llamados variantes) que en cualquier momento están accesibles a la selección natural. La mayoría de esos mutantes serán similares al virus original o puede que incluso sean peores. Pero con números tan altos, es inevitable que de vez en cuando surja alguno ventajoso que rápidamente será favorecido por la selección natural. Y, ¿qué puede ser ventajoso para un virus? Las respuestas más obvias incluyen ampliar su rango de hospedadores, mejorar su transmisión en la población, eludir la respuesta inmune o resistir los tratamientos antivirales, pero hay otras muchas características que un virus puede mejorar para conseguir mantenerse de forma estable en una población.

La rapidez de la evolución viral ha permitido que, a lo largo de la historia, hayan sucedido eventos que podrían parecer imposibles, como que virus de aves acuáticas, chimpancés o murciélagos hayan conseguido transformarse en virus típicamente humanos que causan enfermedades como la gripe, el SIDA, la COVID -19 o los resfriados comunes.

Un hecho distintivo de la evolución a tasas de error tan altas como las que poseen los virus de ARN es que el genoma mejor adaptado nunca domina totalmente la población. Siempre habrá un espectro de mutantes más o menos amplio que rodee a ese genoma más óptimo. A pesar de esta gran diversidad, es fácil obtener una secuencia consenso, correspondiente al nucleótido más representado en cada posición genómica en el conjunto de virus que componen la población. La misma secuencia consenso se puede obtener para poblaciones de virus diferentes, lo que muestra su limitado valor. Puede ser muy útil para determinar qué mutaciones se están haciendo mayoritarias, pero no nos muestra muchos de los cambios que se producen en el espectro de mutantes, que es donde reside el auténtico potencial evolutivo de la población.

En la mayoría de los casos desconocemos qué cantidad de partículas virales es necesaria para causar una infección. Cuando este número es muy bajo, la diversidad genética de la población se reduce mucho, aunque la replicación del virus en el nuevo organismo infectado puede volver a regenerarla. La evolución viral durante un proceso epidémico supone la alternancia de millones y millones de cuellos de botella poblacionales —tantos como nuevas infecciones— seguidos de la posterior amplificación exponencial del virus. Es difícil integrar todo esto a nivel poblacional, de modo que puede ser complicado predecir el sentido que tomará una epidemia. A veces también se fijarán mutaciones que no aporten ninguna ventaja, reflejando simplemente el éxito como propagador de la persona que se infectó con una variante concreta.

Las bacterias y su conquista de casi todos los nichos ecológicos

Al igual que los virus, las bacterias también mutan más rápido que las células de los organismos pluricelulares, dando lugar a poblaciones muy diversas en las que pueden existir variantes que faciliten su adaptación a nuevos ambientes. De este modo, las bacterias han logrado conquistar prácticamente todos los nichos ecológicos posibles y explorar una amplia variedad de metabolismos. Hay bacterias capaces de vivir a más de 100 ºC, en las profundidades submarinas o en condiciones de sequedad extrema. También hay bacterias que se alimentan de restos de seres vivos, que realizan la fotosíntesis o que obtienen su energía oxidando compuestos inorgánicos. El ser humano está muy orgulloso de su inteligencia y capacidad para modificar el medio haciéndolo más favorable para su supervivencia. Las bacterias juegan con armas diferentes, pero no se puede decir que tengan menos éxito.

En el mundo bacteriano, la evolución tiene un aliado muy poderoso que son los mecanismos de intercambio de material genético, algo que permite que las innovaciones evolutivas puedan ser rápidamente compartidas por toda la comunidad. El proceso se denomina transferencia horizontal de genes, por contraposición a la transferencia vertical, que es la que ocurre de progenitores a descendientes. Los mecanismos de transferencia horizontal más frecuentes en bacterias son la conjugación, la transformación y la transducción. La conjugación requiere el contacto entre dos bacterias y se lleva a cabo utilizando una estructura especial, a través de la cual se transfiere material genético. La transformación consiste en la captación de ADN exógeno, que está en el ambiente y que normalmente procede de células muertas. Por último, la transducción es llevada a cabo por ciertos virus que infectan bacterias, los denominados bacteriófagos, que tienen la capacidad de incluir dentro de su cápsida parte del material genético de la bacteria a la que infectan. Este material podrá ser traspasado a otra bacteria y, por diversos mecanismos, acabar formando parte de su genoma.

Una consecuencia importante de la transferencia lateral de genes es la existencia de variaciones importantes en el contenido génico de los individuos de una misma especie. El proceso pudo ser fundamental en el propio origen de la vida, si consideramos que nuestro último ancestro universal podría haber consistido en un consorcio de células primitivas que intercambiaban genes de forma muy promiscua, de modo que todas pudieran aprovechar las innovaciones que iban surgiendo en cada una de ellas.

La rápida evolución de los microorganismos como presión selectiva en el mundo celular

¿Qué consecuencias tiene para el mundo celular el tenerse que enfrentar con patógenos que cambian de forma tan rápida? Por simplicidad, vamos a detallar a continuación lo que ocurre en el mundo viral aunque, con las precisiones necesarias, lo descrito también será válido para otros patógenos de evolución rápida.

Los bacteriófagos constituyen una presión selectiva muy importante en las poblaciones de bacterias, de modo que aquellas que posean alguna defensa se verán favorecidas rápidamente. Entre los mecanismos de defensa más frecuentes están la aparición de receptores modificados, con los que el virus no puede interaccionar, o la aparición de sistemas que degradan el material genético viral. A su vez, el aumento en la frecuencia de estas bacterias resistentes ejerce una presión selectiva en la población de bacteriófagos, favoreciéndose a los capaces de eludir los mecanismos de defensa bacterianos. La repetición de este proceso a lo largo del tiempo supone la aparición de cambios concertados entre el patógeno y su hospedador, acelerándose la evolución de ambos.

En el caso de los virus que infectan vertebrados existe un esquema similar que ha conducido, entre otras cosas, a la aparición del sistema inmune adaptativo: el productor de los anticuerpos. Los mecanismos de variabilidad de este sistema permiten que, con un repertorio limitado de genes, se pueda producir una diversidad amplísima de anticuerpos. No es desproporcionado pensar que el sistema inmune adaptativo haya surgido en respuesta al ataque por unos agentes tan cambiantes como los virus. A su vez, los virus pueden responder a esta presión selectiva mediante la generación y selección de mutantes de escape, que no pueden ser neutralizados por los anticuerpos.

Con el tiempo puede darse una situación de coexistencia pacífica entre el virus y su hospedador, generándose los denominados reservorios virales, que son especies animales que permiten la multiplicación de virus específicos sin sufrir síntomas de enfermedad.

Una cuestión importante es que, para completar su ciclo infeccioso, los virus necesitan interaccionar con una gran diversidad de proteínas celulares. Cualquier modificación en estas proteínas que dificulte su utilización por el virus puede ser un mecanismo adicional de defensa celular. Hay estimaciones que indican que un tercio de todas las mutaciones adaptativas en humanos se han seleccionado en respuesta a los virus, lo que los convierte en una presión selectiva más importante que el clima o la dieta.

Virus, grandes creadores de genes

Las altas tasas de variación genética hacen que los virus sean los mejores inventores de genes en toda la biosfera. Los genes virales pueden pasar al mundo celular, gracias a la capacidad que tienen algunos virus de integrar su material genético en el genoma del hospedador, algo que es muy frecuente en bacterias. Cuando esto sucede, el genoma viral se duplica al mismo tiempo que el celular, transmitiéndose verticalmente de generación en generación. Pero el genoma viral así integrado no se comporta como algo estático, sino que puede afectar a la expresión génica bacteriana a través de sus elementos reguladores. De este modo pueden producirse innovaciones evolutivas mucho más drásticas que las que se generarían por la simple acumulación de mutaciones de pequeño efecto.

Cuando la integración del genoma viral ocurre en el genoma de las células reproductoras de los vertebrados, el proceso se llama endogenización vírica y a él se debe que aproximadamente el 8 % del genoma humano sea de origen viral, una parte mayor que la que supone el ADN codificante. Tras la integración, inicialmente hay una fase de amplificación, lo que supone la generación de muchas copias del genoma viral y su distribución por el genoma receptor. En el proceso, las copias sufren modificaciones que impiden que se puedan expresar nuevos virus, pero, al igual que sucedía en bacterias, la presencia del material genético viral también va a tener consecuencias. Por ejemplo, en nuestra especie, el almidón puede comenzar a digerirse en la boca gracias a que un elemento regulador de un virus endógeno favorece la expresión del gen de la amilasa en las glándulas salivales.

Una gran capacidad evolutiva

Algunos saltos evolutivos en el mundo de los microorganismos han supuesto grandes transiciones de complejidad. Los trabajos de Lynn Margulis y otros investigadores han demostrado que las células más complejas, las llamadas eucariotas, surgieron como resultado de eventos de endosimbiosis entre organismos más simples. La asociación con proteobacterias condujo a la aparición de las mitocondrias, mientras que la simbiosis con cianobacterias condujo a la aparición de los cloroplastos. La presencia de las mitocondrias supuso un aumento considerable en la energía disponible para las funciones celulares, lo que pudo favorecer el gran aumento de complejidad típico de la célula eucariota, abriendo así la posibilidad de la evolución hacia la multicelularidad.

La conclusión es que gran parte de las innovaciones evolutivas presentes en la vida actual se originaron en los microorganismos o surgieron como mecanismos de defensa frente a ellos, hasta el punto de poder afirmar que la biosfera que existe actualmente es como es gracias a la gran capacidad evolutiva de todos esos seres, invisibles a nuestros ojos, pero que nos superan ampliamente en la capacidad para adaptarse a un mundo cambiante.

 

Esther Lázaro es investigadora científica en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y jefa del grupo de «Estudios de evolución experimental con virus y microorganismos».

Continúa leyendo