Investigadores españoles miden por primera vez la presión interna de un virus. El trabajo, en el que participan físicos y biólogos de la UAM, representa un importante paso para entender los mecanismos de infección de los virus bacteriófagos.
La constatación experimental de la presión interna en Phi29 es un paso crucial para entender los mecanismos de infección de los bacteriófagos
La presión interna de Phi29 –un virus bacteriófago que infecta a la bacteria Bacillus subtilis– es 45 veces mayor que la presión que ejerce la atmósfera terrestre al nivel del mar. Este cálculo fue realizado por investigadores españoles, en un trabajo que constata experimentalmente la existencia de presión interna en los virus.
Un equipo multidisciplinar ha logrado medir por primera vez la dureza de un virus individual y constatar la existencia de presión en su interior. El trabajo, realizado por físicos y biólogos de la Universidad Autónoma de Madrid, la Universidad de Barcelona y el Centro Nacional de Biotecnología, representa un importante paso para entender los mecanismos de infección de los virus bacteriófagos.
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| Imagen de AFM de un phi29 (rojo) que ha liberado parte del ADN (amarillo). La micropalanca (gris) y la punta (dorado), junto con el láser, indican el experimento de deformación mecánica. Autor: UAM. |
La medida obtenida –45 atmósferas– es considerable si se tiene en cuenta que los virus son contenedores de proteínas cuyo diámetro mide pocas decenas de nanómetros. Para establecerla, los investigadores utilizaron un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) en medio acuoso en el que realizaron deformaciones mecánicas de virus individuales. La pieza clave de este instrumento es una micropalanca que, gracias a un láser que mide su flexión y a una punta afilada (20 nanómetros), puede emplearse como sensor de fuerzas a escala nanométrica.
Así, con un AFM y un procedimiento análogo a cuando se toca un neumático para comprobar su presión de inflado, los investigadores pudieron comparar la fuerza ejercida por virus llenos de ADN con la ejercida por virus vacíos, comprobando que los primeros son más duros que los segundos.
El trabajo, publicado en la revista Small, fue realizado por físicos y biólogos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad de Barcelona (UB) y el Centro Nacional de Biotecnología (CNB). Según los autores, la constatación experimental de la existencia de presión interna en phi29 es un paso crucial para entender los mecanismos de infección de los bacteriófagos.
Virus presurizados
Una interpretación adecuada de los resultados logrados, requirió por parte de los investigadores considerar que la molécula de ADN del interior del virus está cargada negativamente. Teniendo en cuenta esto, así como la ley de Coulomb (relacionada con la magnitud de las fuerzas eléctricas), los científicos pudieron identificar que, entre las hebras de ADN, se origina una fuerte repulsión electrostática que se transmite a las paredes del virus y lo presuriza.
En otras palabras, el empaquetamiento de ADN en un virus bacteriófago acumula energía elástica en su interior, de la misma forma que lo hace un resorte espiral dentro de un juguete de cuerda. Esa energía elástica presuriza el virus, y su liberación durante el proceso de infección arrastra parte del ADN vírico dentro de la bacteria –como ocurre con las bebidas con gas cuando abrimos su recipiente después de haberlo agitado–.
Así, con un AFM y un procedimiento análogo a cuando se toca un neumático para comprobar su presión de inflado, los investigadores pudieron comparar la fuerza ejercida por virus llenos de ADN con la ejercida por virus vacíos, comprobando que los primeros son más duros que los segundos.
El trabajo, publicado en la revista Small, fue realizado por físicos y biólogos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad de Barcelona (UB) y el Centro Nacional de Biotecnología (CNB). Según los autores, la constatación experimental de la existencia de presión interna en phi29 es un paso crucial para entender los mecanismos de infección de los bacteriófagos.
Virus presurizados
Una interpretación adecuada de los resultados logrados, requirió por parte de los investigadores considerar que la molécula de ADN del interior del virus está cargada negativamente. Teniendo en cuenta esto, así como la ley de Coulomb (relacionada con la magnitud de las fuerzas eléctricas), los científicos pudieron identificar que, entre las hebras de ADN, se origina una fuerte repulsión electrostática que se transmite a las paredes del virus y lo presuriza.
En otras palabras, el empaquetamiento de ADN en un virus bacteriófago acumula energía elástica en su interior, de la misma forma que lo hace un resorte espiral dentro de un juguete de cuerda. Esa energía elástica presuriza el virus, y su liberación durante el proceso de infección arrastra parte del ADN vírico dentro de la bacteria –como ocurre con las bebidas con gas cuando abrimos su recipiente después de haberlo agitado–.
Los investigadores consiguieron reducir dicha repulsión electroestática de forma reversible, disminuyendo también la dureza del virus lleno a la misma que la del virus vacío.
En virología se diferencia entre virus eucariotas –que infectan células con núcleo– y virus bacteriófagos –que infectan bacterias–. Mientras los primeros son fagocitados por el huésped, los segundos introducen su ADN desde el exterior a través de la cola después de haberse unido a la pared bacteriana.
Phi29 es un bacteriófago que sólo infecta a la bacteria Bacillus subtilis. Y tiene un valor considerable en el campo de la virología ya que es un excelente modelo de estudio de otros tipos de virus.
Con barreras de bacterias muertas, generan estructuras tan altas como rascacielos a escala celular. El proyecto permite avanzar contra la resistencia bactericida de los antibióticos.
Jordi García Ojalvo y Pau Rué, investigadores del Departamento de Física e Ingeniería Nuclear de la Universidad Politécnica de Cataluña · BarcelonaTech (UPC), han descubierto cómo las bacterias de la especie Bacillus subtilis se organizan en estructuras tridimensionales, denominadas biocapas o biofilms. Estas biocapas tienen una rugosidad muy pronunciada que hace que sean impermeables a líquidos y gases y, por tanto, impermeables también a los antibióticos y otros bactericidas. Las rugosidades que construyen en su superficie, a partir de cúmulos de células muertas, les confiere mucha más antiadherencia que, por ejemplo, el Teflon.
García Ojalvo, que actualmente trabaja también con la Universidad Pompeu Fabra (UPF), afirma que "hemos podido comprobar que las bacterias crean rugosidades por acumulación de células muertas y no vivas, como creíamos hasta ahora. Estas arrugas son extraordinariamente altas si las comparamos con las dimensiones de una solo bacteria. A escala humana serían como un gran rascacielos. Son como grandes estructuras defensivas construidas con la acumulación de células que mueren defendiendo a la comunidad".
Vencer la resistencia a los bactericidas
Las consecuencias de este descubrimiento son muy importantes porque las bacterias infectan el cuerpo humano mediante biocapas, y la impermeabilidad de éstas las hace muy resistentes a los antibióticos. Son tan resistentes que pueden sobrevivir a tratamientos con bactericidas, yodo e incluso a lavados de horas con lejía. García Ojalvo afirma que "llegar a entender que las biocapas de bacterias logran organizarse en tres dimensiones gracias a la muerte celular permite avanzar para vencer su resistencia a los agentes bactericidas".
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| Detalle de biocapas en la especie Bacillus subtilis. (C) UPC |
Las biocapas de bacterias se encuentran también en las canalizaciones de agua, los implantes médicos, los pozos de petróleo, los sistemas de aire acondicionado, etc.
Jordi García Ojalvo, Pablo Rué y sus colegas estadounidenses han utilizado para su descubrimiento técnicas de microscopía de fluorescencia, microscopía de fuerza atómica y modelos matemáticos.
Jordi García Ojalvo, Pablo Rué y sus colegas estadounidenses han utilizado para su descubrimiento técnicas de microscopía de fluorescencia, microscopía de fuerza atómica y modelos matemáticos.
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| El investigador Jordi Garcia Ojalvo en su laboratorio |
Un avance útil para la ingeniería de tejidos biológicos
Además, el descubrimiento ha permitido a los investigadores desarrollar un método para generar arrugas artificiales dentro de las biocapas del bacterias, induciendo muerte celular en determinados puntos de la estructura. Esto podría llegar a ser muy útil en ingeniería de tejidos biológicos.
En el estudio han participado investigadores de las universidades estadounidenses de California y de Texas. El descubrimiento se ha publicado en la revista estadounidense Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). La revista Science se ha hecho también eco de este descubrimiento con una noticia en su edición on line.
