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Virus artificiales, nueva herramienta de la bionanotecnología

Sus aplicaciones potenciales.

22-01-2020

Por Guillermo Cárdenas Guzmán, Ciencia UNAM-DGDC

Por las grandes epidemias que ha sufrido la humanidad en las últimas décadas, ocasionadas por el virus del Nilo Occidental, el VIH, el de la influenza o el causante del Síndrome Respiratorio Agudo Severo, estos agentes biológicos generalmente son vistos como sinónimo de enfermedad o muerte.

Sin embargo, no todos los virus son patógenos e incluso algunos de ellos se usan como herramientas para combatir enfermedades, como sucede con los llamados bacteriófagos, es decir, aquellos que comen bacterias, utilizados para tratar infecciones o como medio de control biológico.

Otras líneas de estudio más recientes han dado un paso adelante con un nuevo enfoque que consiste en replicar el fino trabajo de relojería que hace la naturaleza para diseñar y producir en laboratorio, mediante la manipulación de secuencias de ácidos nucleicos (ADN y ARN) y de proteínas, nuevos tipos de virus artificiales.

Estas partículas virales artificiales tienen múltiples usos: como modelos para el estudio de virus naturales o el desarrollo de organismos sintéticos; como plataformas para producir nuevos materiales o bien como vehículos para la administración de ácidos nucleicos dentro de la terapia génica.

Cambio de paradigma

Armando Hernández García, investigador del Instituto de Química de la UNAM, es uno de los expertos que, con sus aportaciones al diseño de proteínas que pueden autoensamblarse en nuevas partículas tipo virus, han impulsado el desarrollo de este promisorio campo de la bionanotecnología en México.

"En un contexto biológico el ADN (Ácido Desoxirribonucleico) se había visto usualmente sólo como una molécula que almacena la información genética y se transmite de progenitores a descendientes", explica en entrevista el académico.

Sin embargo, aclara, en los últimos años este paradigma se ha  transformado, pues los científicos han dejado de ver a los ácidos nucleicos (ADN y ARN) sólo como material de información biológica, ya que ahora lo están utilizando para construir diversas estructuras de tamaño nanométrico. (ver recuadro).

Este cambio ha dado paso a lo que se conoce como nanotecnología del ADN, es decir la programación de secuencias de ADN con sus bases nitrogenadas (adenina, guanina, timina y citosina) para que formen cadenas largas que pueden reconocerse y plegarse en formas y tamaños controlados.

Esto es posible debido a que los virus -a diferencia de las construcciones a escala humana, que requieren un fabricante que ensamble las piezas de un motor o construya un edificio- tienen la capacidad de autoensamblarse, además de estructuras muy bien organizadas, con tamaños y formas definidos.

Así que los científicos, como lo han hecho Armando Hernández y sus colaboradores en diversos experimentos, aprovechan estas características para diseñar partículas virales artificiales con ciertas características deseables, pero sin capacidad de infectar.

  • LA BIONANOTECNOLOGÍA es una disciplina donde convergen las modernas técnicas de la biotecnología, como la ingeniería genética (que permite manipular e insertar secuencias de ADN en organismos) con el estudio y aplicación tecnológica de materiales y ensambles de moléculas con tamaños sumamente diminutos, de entre 1 y 100 nanómetros (millonésimas de milímetro). Actualmente muchos grupos de investigadores la están utilizando para producir virus artificiales no patógenos que pueden servir como vehículos para insertar información genética a grupos de células, o bien,  para la administración eficaz de fármacos o vacunas.

Imitar a la naturaleza

Entre los virus que mejor se conocen está el del Mosaico del Tabaco, que infecta a esta y otras plantas de la familia de las solanáceas y les produce unas manchas características de forma cuadrangular. Aunque la infección fue observada desde el siglo XIX, no fue sino hasta 1930 cuando se describió por primera vez a su agente causal.

Como los virólogos tienen bien identificada la estructura de su capa de proteína y la manera en que esta se liga con su material genético (en este caso es Ácido Ribonucleico, ARN), Hernández García y sus colaboradores la han utilizado como modelo de inspiración para desarrollar su investigación.

La pregunta básica con la que iniciaron su trabajo fue: ¿es posible imitar la organización física y las propiedades químicas y biológicas de los virus?

Al estudiar a este virus del Mosaico del Tabaco, el más sencillo que existe -pues un solo tipo de proteína se acopla alrededor de su genoma- los expertos del IQ encontraron que necesita desempeñar tres funciones vitales: unir al ARN, ensamblar distintas proteínas para formar la partícula viral y darle estabilidad.

El equipo de expertos pudo identificar los módulos, esto es, las secuencias de aminoácidos encargados de ejecutar esas tres funciones -unir, autoensamblar y dar estabilidad coloidal a la partícula viral- y a partir de ellos fabricar una nueva proteína, completamente artificial, capaz de replicarlas.

"Esas tres partes las pusimos juntas en una proteína artificial, con una secuencia muy diferente a las que se encuentran en la naturaleza; observamos que lograba encapsular al ADN y formar partículas muy parecidas a las del virus del Mosaico del Tabaco", recuerda Armando Hernández.

Las secuencias de aminoácidos con las que trabajaron eran relativamente simples y estaban conformadas por módulos con diferentes funciones, que los expertos pudieron manipular en el laboratorio, ya sea quitando o añadiendo algunas de ellas. Su meta era obtener moléculas capaces de controlar las propiedades del material genético viral.

"Ahora que tenemos estas secuencias que imitan las propiedades de proteínas de virus naturales, queremos usarlas para formar partículas virales con tamaños y formas no convencionales", anticipa el investigador.


Por ejemplo, en la naturaleza no existen virus ramificados o con forma de estrella que Hernández García y sus colaboradores han logrado obtener. Aquí su publicación más reciente sobre este tema.

Estos trabajos abren la puerta a la posibilidad de diseñar y ensamblar diferentes tipos de partículas virales que podrían aprovecharse en numerosas aplicaciones en los campos de la bionanotecnología y la biomedicina.

Por ejemplo, podrían diseñarse y emplearse virus artificiales como plataformas para desarrollar nanomateriales o bien crearse recubrimientos de proteínas que faciliten el ingreso de material genético a ciertos grupos de células.

Otra aplicación potencial sería su empleo como vehículos (una especie de "caballitos de Troya" modernos) para la administración de fármacos o vacunas que vayan directamente al blanco específico, sin ser atacados por el sistema inmunitario o degradados por enzimas en su paso por el tracto gastrointestinal. 

"Estamos tomando sistemas vivos naturales para inspirarnos y crear versiones más simples que puedan ser fácilmente optimizadas. Con el diseño de proteínas y ADNs  con nuevas funciones y formas, estamos generando materiales que atenderán necesidades importantes", asegura Hernández García.

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