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imagen del contenido Gonzalo Moratorio

Columna de Ciencia y Tecnología

Gonzalo Moratorio

19.09.2018

"Nada en biología tiene sentido, excepto a la luz de la evolución". Esta reconocida cita de Theodosius Dobzhansky, genetista nacido a comienzos del siglo XX en el imperio ruso que contribuyó enormemente a la teoría evolutiva moderna, proclama la importancia de estudiar la evolución para comprender a fondo todo proceso biológico.

De hecho, a lo largo de nuestra historia, los seres humanos hemos tratado de controlar esta misma fuerza responsable de nuestra existencia. Como especie dominante lo hemos realizado para nuestro propio beneficio, por ejemplo, a través de la agricultura y/o ganadería tanto de forma consciente como no. Además, nuestra especie ha tenido que sortear importantes amenazas como las pandemias virales. Las mismas, pueden matar más personas que la guerra; de hecho, esto aconteció a principios del SXX, cuando la gripe española terminó con la vida de más personas que las mismísimas dos guerras mundiales juntas. Desde las plagas bíblicas hasta las epidemias de hoy en día, la consiguiente devastación se debe, en parte, a la extrema diversidad genética de estos patógenos, que les permite evolucionar rápidamente para escapar de la inmunidad, saltar a nuevas especies y así conquistar nuevos nichos ecológicos.

 

Recientemente, como microbiólogos, los avances en la ciencia computacional y bioinformática, así como los adelantos en las tecnologías de secuenciación del ADN, han llevado este campo al siguiente nivel. Actualmente podemos seguir, casi en tiempo real, la epidemiología molecular de brotes infecciosos causados por patógenos emergentes. ¿Qué pasaría si pudiéramos utilizar este conocimiento para conducir patógenos letales hacia una callejón sin salida, hacia su extinción? Hoy nos encontramos en una posición privilegiada, donde el aumento en la comprensión de las bases de la adaptación nos permite alterar en el laboratorio el curso evolutivo de un patógeno.

 

Hasta la fecha no se han encontrado entidades que puedan cambiar genéticamente tan rápido, o sea que presenten tasas de mutación tan elevadas como los virus cuyo genoma esta constituido por ARN. Algunos ejemplos de estos, son los virus del dengue, Zika, Ebola, VIH, gripe, entre otros. Por lo tanto, comprender los mecanismos que subyacen a su dinámica evolutiva contribuirá en nuevas ideas para impedir futuros brotes. Para hacerlo, debemos desarrollar herramientas que anticipen las próximas estrategias de estos patógenos y, como maestros de ajedrez, estar preparados para hacer nuestra jugada un paso antes que ellos. Predecir las trayectorias evolutivas que un patógeno puede tomar representa un "santo grial" para la biología evolutiva. En principio, el conocimiento de su diversidad genética asociado a los efectos que estos causan en nuestra salud ayudará a monitorear su evolución y potencialmente a predecir dichas trayectorias. Un ejemplo de esto ocurre con el virus de la gripe que circula cada año en humanos, aves y porcinos. ¿Qué métodos están disponibles para seguir la evolución viral? ¿Es posible predecir su evolución? ¿Podemos alterar la evolución de estos virus hacia nuestro propio beneficio? Estas preguntas guiarán al lector a través de esta columna.

 

¿Cómo abordamos en primera instancia el estudio de nuevos brotes epidémicos virales?

Mediante secuenciación del material genético de los virus y estudios de filogenia. Empleamos enfoques filogenéticos para estudiar la historia evolutiva y las relaciones entre los organismos. Los árboles filogenéticos describen la relación genética entre organismos por agrupación de los mismos a través de ramas, y donde la longitud de estas ramas representa el cambio evolutivo acumulado en el tiempo. La filogenia ofrece una perspectiva integradora de la identidad, parentesco, ecología e historia evolutiva de las estirpes virales. La filogenética implica modelos matemáticos que implementan diferentes métodos. Estos métodos de análisis se vieron tremendamente potenciados por el incremento del poder de cómputo de las nuevas tecnologías informáticas, así como por los datos genómicos cada vez más abundantes dado el avance en las técnicas de secuenciación de la información genética de los organismos (genomas). Además, hoy en día existen dispositivos de secuenciación hasta del tamaño de un teléfono celular, los cuales son llevados al campo de trabajo (imagínense en el medio de una selva o una ciudad con escasos recursos) para poder identificar miles de genomas virales lo más rápido posible. En conjunto, este flujo de trabajo hace que la epidemiología molecular en tiempo real sea un esfuerzo factible. Estos enfoques se utilizaron para reconstruir la aparición y propagación de epidemias recientes de virus Zika en las Américas, identificando el momento y las fuentes de introducción en diferentes regiones geográficas. Por ejemplo, los turistas de cruceros por el Caribe fueron determinantes en el ingreso de este virus a Norteamérica. Del mismo modo, la epidemiología molecular en tiempo real del reciente brote de Ébola en África occidental reveló una la geolocalización entre los grupos de transmisión y una situación más compleja de la esperada, otorgando información clave para contener dicho brote. En suma, las filogenias brindan una imagen más clara de las epidemias virales mediante la identificación de patrones evolutivos y de transmisión.

 

¿Cómo seguimos estudiando a los nuevos virus obtenidos en el lugar de la epidemia y ya caracterizados filogenéticamente?

 

Mediante el análisis, en el laboratorio, de las características infectivas y de transmisión de éstos y comparándolas con virus aislados anteriormente. Después de la caracterización filogenética, las mutaciones recientemente identificadas en las nuevas cepas virales pueden analizarse en profundidad en el laboratorio, lo cual se conoce como genómica funcional. Estos enfoques, que intentan imitar lo que está sucediendo en la naturaleza, revelan cómo las nuevas mutaciones contribuyen a las características infectivas y de transmisión (fenotipo) del virus. Existen muchos ejemplos de mutaciones asociadas a diferentes características como: resistencia antiviral, mayor patogenicidad, mayor transmisión y transmisión cruzada entre especies, que se confirmaron a través de abordajes de genómica funcional. En los mismos, se comparan las características de las nuevas cepas virales con cepas del mismo virus que circularon anteriormente. Por ejemplo, una única mutación en una proteína del virus del Zika se identificó por primera vez por filogenia y luego se demostró que aumentaba la infectividad en mosquitos de laboratorio. Esto permitió a estas estirpes de Zika poder infectar más fácilmente a su vector (el mosquito) y así aumentar su propagación.

 

Otro caso similar es el de una mutación descripta en el virus chikungunya, la cual le permitió a este virus "saltar" desde una especie de mosquito (Aedes aegypti, al cual el virus ya estaba adaptado) hacia otra especie de mosquito diferente (Aedes albopictus). Dado que estas dos especies de mosquitos circulan en regiones geográficas diferentes, este hecho permitió que el virus chikungunya colonizara rápidamente otras partes del planeta. Asimismo, el análisis de secuencias de un brote de gripe aviar altamente patogénica (H7N7) en Holanda, demostró que 15 diferencias (mutaciones) podían diferenciar un virus mortal de aquellos que no lo eran. Posteriormente estudios de genómica funcional en ratones, realizados con este mismo virus aislado del paciente fallecido, permitieron identificar que una de estas mutaciones, que había sido previamente reportada en otros estudios, era la que contribuía al salto de especie entre las aves y humano. Por otro lado, las nuevas características infectivas de los virus también pueden ser el resultado de una constelación de mutaciones en su conjunto a nivel de la población viral infectante. Este fenómeno puede darse ya que los virus circulan como una población de variantes genéticamente heterogénea debido a sus altas tasas de mutación. Sin embargo, para lograr una mejor comprensión de los mecanismos moleculares, aún debemos centrarnos en algunas pocas mutaciones y su efecto inmediato sobre la patogenicidad del virus. Por lo tanto, una vez que se identifica una mutación de interés y se confirma su impacto en alguna característica del virus, se puede estudiar en el laboratorio cómo la misma surgió.

 

¿Cómo recrear la condiciones naturales de emergencia de una determinada mutación en  el laboratorio? Mediante evolución experimental.

 

La evolución experimental trata de recrear la dinámica evolutiva involucrada en la aparición de una nueva mutación adaptativa, en un entorno controlado y dentro de un marco de tiempo específico. Al probar diferentes entornos (tipos celulares, hospederos, condiciones de temperatura, etc), uno trata de determinar por qué emergen algunas mutaciones y otras no. En el laboratorio donde realicé mi postdoctorado estos últimos 5 años en París, Francia, demostramos que la mutación adaptativa del virus chikungunya para adaptarse de un mosquito a otro, mencionada anteriormente, surge en tan solo siete días luego de infectar experimentalmente mosquitos. Asimismo, mediante abordajes similares se pudieron identificar las mutaciones que permitirían al virus de la influenza aviar H5N1 aumentar su transmisibilidad por aire. Contrariamente, también hemos podido debilitar (atenuar) a muchos virus mediante evolución experimental, y así hemos diseñado vacunas a virus vivos atenuados. Aunque de gran alcance, la evolución experimental tiene limitaciones, y aunque no podemos estar seguros de que estas mutaciones aparezcan en la naturaleza, su identificación nos da una ventaja, y como maestros de ajedrez poder anticiparnos a los "próximos movimientos" disponibles para un virus.

 

 

¿Podemos modificar la evolución de un virus ARN para nuestro propio beneficio?

 

Aún falta trabajo pero podemos utilizar todo el conocimiento generado sobre un virus de modo de intentar redirigir su evolución hacia su atenuación. Por ejemplo, mediante ingeniería genética podemos alterar su tasa de mutación, en otras palabras podemos hacer que un virus introduzca más o menos mutaciones. De hecho, ambas estrategias son perjudiciales para el virus debilitándolo y dando tiempo a nuestro sistema inmune para que se encargue del mismo. Adicionalmente, otras estrategias recientemente aplicadas aumentan el número de mutaciones letales en el genoma viral, lo cual nuevamente lo lleva hacia su extinción cada vez que el mismo replica. Estos esfuerzos todavía están en pañales, pero el objetivo de monitorear y potencialmente predecir el futuro inmediato de un virus determinado, es prometedor. Finalmente, mediante la aplicación de enfoques multidisciplinarios como la combinación de modelos matemáticos, bioinformática y evolución experimental aumentará nuestra respuesta para contener y entender las epidemias virales.

 

 

Gonzalo Moratorio es Licenciado en Biología de la Universidad de la República.

Realizó estudios de Maestría y Doctorado del PEDECIBA y en la Universidad de San Francisco, California, Estados Unidos, donde ese especializó en Virología Molecular y Evolución. Posteriormente realizó estudios de Postdoctorado por más de 5 años en el Departamento de Virología del Institut Pasteur de Paris, Francia. Actualmente es Profesor Adjunto de Virología en el Centro de Investigaciones Nucleares de la Facultad de Ciencias e investigador asociado de los Institutos Pasteur de Paris y de Montevideo. Es también investigador PEDECIBA y del Sistema Nacional de Investigación de la ANII.

email: gonzalo.moratorio@pasteur.fr

 

 

Por entregas anteriores de nuestra Columna de Ciencia y Tecnología, visite aquí.



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