En febrero, cuando el nuevo coronavirus comenzó a causar estragos en China y ocasionó el cierre de ciudades enteras, un científico de nombre Sai Li se propuso obtener un retrato de ese enemigo.

En ese entonces, las mejores fotografías que otros habían logrado tomar eran imágenes de baja resolución en las que el virus parecía una mancha y apenas se distinguía.

Li, quien es biólogo estructural en la Universidad Tsinghua de Pekín, decidió unir fuerzas con un equipo de virólogos que trabajaban en el cultivo del virus en un laboratorio de bioseguridad de la ciudad de Hangzhou. Esos investigadores sumergieron las muestras de virus en sustancias químicas para hacerlas inofensivas y enviárselas a Li.

A continuación, Li y sus colegas redujeron el líquido con grandes cantidades de virus de un cuarto de galón a una sola gota concentrada. Solo esperaba que hubieran hecho todo correctamente para que las semanas de trabajo dedicadas a producir esa gota sirvieran de algo.

“En ese momento no sabes qué hay en el interior”, explicó Li. “Tan solo tienes ahí un líquido”.

Un vistazo a la estructura

Li congeló con gran cuidado la gota en una fracción de segundo. El más mínimo error podía causar la creación de cristales de hielo, que podrían perforar las muestras del virus y desbaratarlas.

Con gran esperanza, Li colocó un poco de hielo en un microscopio crioelectrónico. El dispositivo bombardeó haces de electrones sobre la muestra. La computadora de Li reconstruyó lo que había observado el microscopio mientras esos electrones chocaban con los átomos del interior. Cuando se formó la imagen, quedó sorprendido.

Observé una pantalla llena de virus”, Li recordó.

Sai Li, Tsinghua University School of Life SciencesSai Li, Tsinghua University School of Life Sciences

Podía ver miles de coronavirus apretujados en el hielo como gomitas en un frasco. Estaban perfectamente intactos, por lo que fue posible observar detalles del virus que medían menos de una millonésima de pulgada.

“Me vino a la mente que era el primero en todo el mundo en ver este virus con tan buena resolución”, Li relató.

En el transcurso de las siguientes semanas, Li y sus colegas examinaron el virus. Revisaron las proteínas que cubrían su superficie y exploraron su núcleo, donde la cadena de genes del virus estaba enroscada con proteínas. Li pensó que la imagen era parecida a unos huevos en su nido.

Sai Li, Tsinghua University School of Life SciencesSai Li, Tsinghua University School of Life Sciences

Gracias al trabajo de científicos como Li, el nuevo coronavirus, conocido como SARS-CoV-2, ya ha sido descifrado. Los investigadores lo conocen a nivel íntimo, atómico. Descubrieron cómo utiliza algunas de sus proteínas para escabullirse al interior de las células y qué mecanismos aprovechan sus genes íntimamente entramados para tomar control de nuestra bioquímica. Han observado que algunas proteínas virales les ponen una zancadilla a nuestras fábricas celulares, mientras que otras crean semilleros en los que se producen nuevos virus. Además, algunos investigadores han creado virus virtuales completos en supercomputadoras y esperan utilizarlos para comprender qué hace el virus real para propagarse con una facilidad tan devastadora.

“Esta época es distinta a cualquier otra que hayamos experimentado, tan solo en cuanto al bombardeo de datos,” comentó Rommie Amaro, bióloga computacional de la Universidad de California, campus San Diego.

Estudio de la espícula

Este mismo año, Amaro y otros investigadores enfocaron gran parte de su atención en las proteínas llamadas espículas que cubren la superficie del virus. Estas espículas de proteínas desempeñan un papel esencial: se unen a ciertos receptores en las células de nuestras vías respiratorias y le permiten al virus escabullirse a su interior. Sin embargo, muy pronto fue evidente que esa designación no es muy adecuada. La espícula de proteínas no es ni puntiaguda, ni angosta, ni rígida.

Cada una de estas espículas de proteínas se empalma con otras dos y crea una estructura de forma parecida a la de un tulipán. Un largo tallo une a las proteínas con el virus y la sección superior parece una flor de tres partes.

Junto con algunos colegas, Gerhard Hummer, biofísico computacional del Instituto Max Planck de Biofísica, aplicó el método de microscopía con muestras congeladas para tomar fotografías de espículas de proteínas incrustadas en la membrana del virus. También calcularon cómo tiran y se empujan entre sí los átomos de las proteínas. El resultado fue un baile molecular en que las espículas de proteínas rotan sobre tres articulaciones.

“Es posible observar cómo giran estas flores en ángulos distintos”, dijo Hummer. “Es muy sorprendente tener un tallo tan alargado y delgado con tanta flexibidad”.

Lazos enmarañados

Los genes del nuevo coronavirus forman una cadena molecular llamada ARN. El 10 de enero, investigadores chinos publicaron su secuencia de 30.000 letras. Ese texto genético contiene la información necesaria para que una célula fabrique las proteínas del virus.

El problema es que el genoma no es tan solo un libro de cocina. Esa cadena se enrosca y forma una maraña de lo más compleja. Esa maraña es crucial para que el virus explote a nuestras células. “Su forma almacena mucha más información”, aseveró Silvia Rouskin, bióloga estructural del Instituto Whitehead.

Rouskin era responsable del equipo de científicos que elaboró el mapa de esa forma. En un laboratorio de alta seguridad de la Universidad de Boston, sus colegas infectaron células humanas con el virus y les dieron tiempo suficiente para fabricar miles de cadenas nuevas de ARN. A continuación, Rouskin y sus colegas marcaron las letras genéticas de esas cadenas con sustancias químicas para poder determinar cómo se doblaba la cadena sobre sí misma.

Tammy C. T. Lan et al., bioRxivTammy C. T. Lan et al., bioRxiv

Resulta que en algunos lugares solo forma lazos cortos a los lados. En otros, cientos de letras de ARN se abren para formar enormes lazos de los que salen otros lazos más, y de esos, todavía otros lazos más. Tras comparar millones de genomas virales, Rouskin y sus colegas descubrieron algunos lugares en que el virus cambia de una forma a otra.

Ahora, varios investigadores examinan con gran detenimiento algunas de estas regiones para dilucidar cómo operan. Sus estudios sugieren que estos nudos le permiten al virus controlar nuestros ribosomas, las diminutas fábricas celulares que producen proteínas.

Después de que el virus ingresa en una célula humana, nuestros ribosomas se adhieren a sus cadenas de ARN y se deslizan sobre ellas del mismo modo que un carro de montaña rusa se mueve sobre los rieles. Conforme los ribosomas pasan sobre las letras genéticas, construyen proteínas con las estructuras correspondientes. Los científicos sospechan que las curvas del ARN hacen que el carro de la montaña rusa pierda contacto con sus rieles y luego lo guían hacia un lugar miles de posiciones más alejado.

Otros lazos obligan al ribosoma a echarse un poco hacia atrás y luego a moverse de nuevo hacia adelante. Este pequeño titubeo puede hacer que el virus fabrique proteínas totalmente distintas a partir del mismo tramo de ARN.

Atascar la maquinaria

Las proteínas virales que salen de nuestros ribosomas se distribuyen por toda la célula y realizan distintas tareas. Una de ellas, llamada Nsp1, ayuda a tomar el control de nuestra maquinaria molecular.

Joseph Puglisi, biólogo estructural de la Universidad de Stanford, junto con algunos colegas, mezcló proteínas Nsp1 y ribosomas en tubos de ensayo. Observaron que las proteínas se introdujeron sin ningún problema en los canales de los ribosomas que normalmente ocuparía el ARN.

Christopher Lapointe, Stanford University School of Medicine. Ribosome models by Angelita Simonetti et al., Cell Reports and Matthias Thoms et al., ScienceChristopher Lapointe, Stanford University School of Medicine. Ribosome models by Angelita Simonetti et al., Cell Reports and Matthias Thoms et al., Science

Puglisi sospecha que la Nsp1 evita que nuestras células fabriquen sus propias proteínas, en especial las proteínas antivirales que podrían destruir al virus. Sin embargo, nadie sabe cómo logra fabricar sus proteínas el virus.

Una posibilidad es que “de alguna manera el virus refuerce su capacidad de producir proteínas”, dijo Puglisi. Algunas veces, la Nsp1 queda fuera de los ribosomas y por algún motivo el virus aprovecha más esas breves oportunidades. “Esperábamos que fuera algo sencillo”, se lamentó. “Pero, como suele suceder en las ciencias, no fue así”.

Gotas y gotículas

Mientras que la proteína Nsp1 manipula ribosomas, otras proteínas virales se dedican a fabricar nuevos virus. Seis proteínas diferentes se combinan para fabricar copias nuevas del ARN del virus.

En este proceso, sucede algo asombroso: cuando se juntan, las proteínas y el ARN se transforman espontáneamente en una gotícula, algo así como cuando se forman burbujas en una lámpara de lava.

Desde hace tiempo, los físicos saben que las moléculas de un líquido pueden formar gotículas espontáneamente si se dan las condiciones adecuadas. “Es como cuando preparas aderezo para una ensalada”, explicó Amy Gladfelter, bióloga celular de la Universidad de Carolina del Norte.

No obstante, apenas en años recientes los biólogos descubrieron que nuestras células fabrican con regularidad gotículas con sus propios propósitos.

Pueden unir ciertas moléculas en concentraciones elevadas para llevar a cabo reacciones especiales y evitar el paso de otras moléculas que no pueden entrar en las gotículas.

Richard Young, biólogo del Instituto Whitehead, junto con algunos colegas, mezcló proteínas del SARS-CoV-2 que fabrican ARN nuevo con moléculas de ARN. Cuando las moléculas se unen, de manera espontánea forman gotículas. Lo más probable es que el virus obtenga los mismos beneficios que la célula gracias a esta estrategia.

Eliot Coffey and Richard Young, Whitehead Institute for Biomedical ResearchEliot Coffey and Richard Young, Whitehead Institute for Biomedical Research

En vista de lo sofisticado que es el coronavirus en tantos otros aspectos, a Young no le sorprendió este descubrimiento. “¿Qué les impediría a los virus explotar una propiedad de la materia?”, preguntó.

Fármacos y vacunas

Las nuevas imágenes del SARS-CoV-2 ya son esenciales para la lucha en contra de la pandemia. Los desarrolladores de vacunas estudian la estructura del virus para asegurarse de que los anticuerpos fabricados por las vacunas se adhieran firmemente al virus. Los desarrolladores de fármacos intentan diseñar moléculas que se cuelen a todos los rincones y recovecos de las proteínas para atascar su maquinaria y así interrumpir las acciones del virus.

Es posible que el genoma del virus permita identificar otros objetivos viables. Quizás algunos fármacos puedan bloquear lazos y marañas para evitar que el virus controle nuestros ribosomas. “Es muy importante conocer la forma, para poder generar algo con la estructura química adecuada para adherirse a esa forma”, comentó Rouskin.

Por su parte, Gladfelter pretende explorar la posibilidad de que la física de las gotículas virales ofrezca una nueva línea de ataque contra el SARS-CoV-2.

Podríamos crear un compuesto que las haga más pegajosas, de consistencia más gelatinosa”, dijo. “Es posible que existan muchos talones de Aquiles”.

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