Virus antiguos en bacterias podrían ser clave para combatir infecciones modernas

Durante miles de millones de años, las bacterias han librado una batalla constante contra los virus, desarrollando diversas estrategias de supervivencia. Investigadores de Penn State afirmaron que estas antiguas defensas microbianas podrían inspirar nuevas herramientas antivirales para los humanos. Thomas Wood, profesor de ingeniería química en Penn State, y su equipo descubrieron un mecanismo bacteriano que ayuda a proteger contra infecciones virales.

Los científicos estudiaron bacterias que contienen virus inactivos y extremadamente antiguos, encontrando que estos invasores dormidos aún desempeñan un papel protector. Sus hallazgos, publicados en Nucleic Acids Research, sugirieron que este sistema de defensa podría ayudar a diseñar métodos antivirales más robustos para su uso en medicina y seguridad alimentaria.

"En los últimos años, ha habido un aluvión de descubrimientos relacionados con los sistemas antivirales en bacterias", comentó Wood, quien lideró el proyecto. "Los antibióticos están fracasando, y el sustituto más probable son los propios virus. Sin embargo, antes de usar virus como reemplazos de antibióticos para tratar infecciones humanas, debemos entender cómo la bacteria se defiende de los ataques virales".

Cómo los virus inactivos ayudan a las bacterias a defenderse

Según Wood, los científicos han sabido durante mucho tiempo que los virus inactivos, conocidos como profagos crípticos, pueden insertar su material genético en el ADN bacteriano. Estos fragmentos genéticos permiten a las bacterias utilizar enzimas y proteínas especializadas para prevenir que nuevos virus, llamados fagos, infecten la célula.

En este nuevo estudio, el equipo de Penn State descubrió que una proteína llamada recombinasa (una enzima que corta y reconecta cadenas de ADN) puede modificar el ADN bacteriano en respuesta a amenazas virales, pero solo si un profago ya está incrustado en el genoma. Esta recombinasa actúa como un defensor de respuesta rápida cuando la célula detecta peligro.

La recombinasa específica identificada en este sistema se conoce como PinQ. Cuando un virus se acerca a la célula bacteriana, PinQ desencadena una inversión de ADN, invirtiendo una sección del código genético dentro del cromosoma. Este cambio crea dos "proteínas quiméricas" compuestas de ADN del profago mismo. Juntas, estas proteínas, llamadas Stf, bloquean al virus de unirse a la superficie bacteriana e inyectar su material genético.

"Es notable que este proceso produzca nuevas proteínas quiméricas, específicamente del ADN invertido; la mayoría de las veces, cuando cambias el ADN, solo obtienes mutaciones genéticas que conducen a proteínas inactivas", explicó Wood. "Estas inversiones y adaptaciones son evidencia clara de que este es un sistema antiviral afinado que ha evolucionado durante millones de años".

Implicaciones para la resistencia a los antibióticos y la investigación antiviral

La creciente amenaza de infecciones resistentes a los antibióticos se debe en parte al uso excesivo de estos medicamentos, explicó Wood. Los virus podrían ofrecer una alternativa más segura porque atacan cepas bacterianas específicas sin dañar a otras y evolucionan junto a sus huéspedes. Comprender esta defensa bacteriana natural podría ayudar a los investigadores a aprovecharla para desarrollar tratamientos más precisos y reducir la dependencia de los antibióticos.

Aunque se habían detectado enzimas recombinasas cerca de las regiones de defensa bacteriana, este es el primer estudio que demuestra que participan directamente en la defensa contra virus.

"No es que los investigadores hayan pasado por alto estas enzimas, es que las vieron y las ignoraron como meros marcadores de genes virales", comentó Wood. "Para defenderse de los virus, las bacterias deben tener muchos sistemas de defensa diferentes, y este es solo otro ejemplo de uno de esos sistemas".

Probando el sistema de defensa antiguo

Para explorar cómo funciona este mecanismo, el equipo aumentó la producción de proteínas Stf en bacterias de E. coli y luego introdujo virus en la muestra. Después de dejar la mezcla durante la noche, midieron su turbidez, o nublosidad, para ver si los virus habían infectado con éxito las bacterias. Cuanto más turbia era la solución, menos virus activos quedaban.

También utilizaron modelos computacionales para simular cómo los virus se adhieren a las superficies bacterianas, un proceso conocido como adsorción, confirmando la precisión de sus simulaciones al compararlas con los resultados de laboratorio.

"Cuando sobreproducimos la proteína, inicialmente detenemos al virus de aterrizar en la superficie celular", dijo Wood. "Sin embargo, después de ocho iteraciones experimentales, el virus cambia sus proteínas de aterrizaje, es decir, cómo identifica y se adhiere a las bacterias, y puede superar esta defensa".

Beneficios más amplios para la salud y la alimentación

Esta investigación mejoró la comprensión del equipo sobre cómo operan los sistemas antivirales, dijo Wood, lo que puede ayudarles a cultivar más eficazmente las bacterias utilizadas para fermentar alimentos como el queso y el yogur, así como mejorar la gestión de infecciones bacterianas en entornos de atención médica. Mirando hacia el futuro, Wood mencionó que el equipo planea continuar investigando las aplicaciones antivirales de ocho profagos adicionales que actualmente tienen en su laboratorio.

"Esta es una historia sobre cómo un fósil protege a su huésped de un extraño, y tenemos otras diez historias relacionadas con fósiles que podrían ofrecer sus propias defensas esperando ser probadas", concluyó Wood. "Tener una mayor comprensión de cómo estos virus interactúan con las bacterias nos dará una increíble visión sobre cómo aprovechar eficaz y seguramente las bacterias en la bioingeniería".

Otros coautores incluyen a Joy Kirigo, quien recientemente recibió su doctorado en ingeniería química de Penn State; Daniel Huelgas-Méndez, un candidato a doctorado en ingeniería química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) que realizó una estancia de investigación en Penn State; Rodolfo García-Contreras, profesor de microbiología en UNAM y asesor de Huelgas-Méndez; María Tomás, coordinadora de la Unidad de Diagnóstico Genómico en el Hospital Universitario de A Coruña; y Michael J Benedik, profesor de biología en Texas A&M University.

Esta investigación fue apoyada por el Biotechnology Endowment, la Universidad Nacional Autónoma de México y la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación.