La estrategia de las bacterias para frenar a los virus revela pistas sobre la inmunidad de los humanos

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Los fagos, virus que atacan a las bacterias, tienen cabeza y cola. La cabeza contiene el material genético del fago y la cola se utiliza para identificar un posible huésped, es decir, una célula bacteriana en la que puede inyectar este material. Una vez completada la inyección, el fago secuestra la maquinaria celular de la bacteria y la obliga a producir nuevas copias de sí mismo, que finalmente hacen estallar la célula e infectan a otras bacterias de la colonia.

En un nuevo estudio que se publicó en Nature , los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias revelan un sistema inmunológico bacteriano que frustra el plan de los fagos uniendo una pequeña molécula de proteína a sus colas. Los componentes de este nuevo sistema inmunológico son similares en estructura a un mecanismo inmunológico humano, y podrían ayudar a revelar cómo funciona este mecanismo y cómo ha evolucionado nuestro propio sistema inmunológico.

Los primeros mecanismos de defensa antifágica en las bacterias se descubrieron en la década de 1960, pero hasta hace poco solo se conocían unos pocos de ellos. El más famoso de ellos es CRISPR-Cas9, cuyo descubrimiento supuso una revolución en la edición genética. Sin embargo, en los últimos años se ha producido una oleada de nuevos hallazgos en este campo que han llevado al descubrimiento de más de 150 nuevos sistemas inmunitarios bacterianos con distintos modos de acción. Muchos de estos sistemas se identificaron utilizando un método desarrollado por el profesor Rotem Sorek, del Departamento de Genética Molecular de Weizmann.

El método de Sorek se basa en un principio sorprendentemente simple: los genes implicados en los mecanismos inmunitarios bacterianos tienden a agruparse en el genoma bacteriano, en zonas conocidas como “islas de defensa”. Por tanto, los investigadores pueden descubrir nuevos sistemas inmunitarios examinando genes con funciones desconocidas que se encuentran cerca de las islas de defensa conocidas. “En muchos de nuestros estudios, hemos reconocido componentes de los sistemas inmunitarios bacterianos que nos resultaban familiares a partir de mecanismos inmunitarios humanos ampliamente estudiados”, explica Sorek. “Esto sugiere que la fuente evolutiva de una gran parte de nuestro sistema inmunitario innato proviene de las bacterias. Nuestro nuevo estudio respalda aún más esta idea”.

La ubiquitina sobre hombros de gigantes

En la década de 1970, los científicos descubrieron un sistema de control celular capaz de alterar la estructura y la función de las proteínas, así como su duración de vida, mediante la unión de una pequeña proteína llamada ubiquitina a ellas. Desde el descubrimiento de la ubiquitina (por el que los profesores Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irwin Rose recibieron el Premio Nobel de Química en 2004), otros científicos han revelado muchos sistemas similares, en los que las enzimas unen varias proteínas pequeñas a la proteína objetivo, modificando así su destino.

En el nuevo estudio, los investigadores dirigidos por el Dr. Jens Hör, del laboratorio de Sorek, descubrieron un nuevo sistema inmunológico bacteriano que contiene una proteína similar a la ubiquitina con una estructura similar a la de ISG15, una de las proteínas más misteriosas del sistema inmunológico humano. ISG15 desempeña un papel en la defensa contra diferentes virus, como la gripe y el VIH, pero no está del todo claro cómo realiza su tarea.

Hör y sus colegas descubrieron que, a diferencia de otros sistemas inmunitarios bacterianos, el sistema que descubrieron no impedía que los virus secuestraran la célula y crearan duplicados de sí mismos: las bacterias que codificaban este sistema inmunitario, una vez infectadas, morían y producían una nueva progenie viral. Pero estos virus eran “estériles”, lo que significa que no podían infectar a otras bacterias, lo que llevó a los investigadores a concluir que el nuevo sistema inmunitario es capaz de impedir de algún modo que el virus se propague a otras células de la colonia.

Para entender cómo los virus duplicados pierden su capacidad de infectar a otras células y qué papel desempeña en ello el nuevo sistema inmunológico bacteriano, el equipo de investigación de Sorek unió fuerzas con la Dra. Sharon Wolf, jefa de la Unidad de Microscopía Electrónica del Departamento de Apoyo a la Investigación Química de Weizmann. Los investigadores etiquetaron la proteína similar a la ubiquitina que se encuentra en el corazón del nuevo sistema inmunológico con partículas de oro que son claramente visibles bajo el microscopio.

Cuando observaron las imágenes de los fagos duplicados, se quedaron atónitos: la proteína marcada se ubicaba al final de la cola viral, impidiendo que los fagos utilizaran sus colas para localizar e infectar nuevas células bacterianas. Los investigadores creen que este nuevo sistema inmunológico es capaz de reconocer la estructura tridimensional de la cola viral, lo que le permite al sistema trabajar eficazmente contra una amplia variedad de fagos, siempre que tengan colas con una estructura similar.

“Esperamos que nuestro descubrimiento en las bacterias inspire a los investigadores que estudian el sistema inmunológico humano a examinar si un principio similar se aplica a la proteína inmunológica humana ISG15. Los virus que atacan a los humanos pueden no tener cola, pero es posible que las defensas humanas también funcionen alterando una proteína estructural clave del virus”, afirma Sorek. “El sistema inmunológico que exploramos en este estudio es solo uno de los muchos sistemas que contienen proteínas similares a la ubiquitina que identificamos en el genoma bacteriano. Ahora, queda por ver cómo esos otros sistemas luchan contra sus viejos enemigos, los virus”.