por C. Menor-Salván

En los medios y redes sociales ha causado una gran alarma la aparición, reportada en diciembre de 2020 en Gran Bretaña, de una nueva variante del virus SARS-CoV-2. Esta variante, denominada B.1.1.7, contiene varias mutaciones puntuales respecto de la variante original que se extendió en febrero-marzo de 2020. Según los datos clínicos disponibles, la variante B.1.1.7 tiene mayor infectividad y velocidades de transmisión. Desde diciembre, según el COVID-19 UK Genomics Consortium, más del 50% de los nuevos contagios son de ésta variante, que presenta una transmisibilidad incrementada entre un 50 y un 70% respecto de la variante original que llamaremos WT (por ‘wild type’). Como es lógico, la aparición de variantes con mayor transmisibilidad crean alarma, pero son perfectamente esperables, dado que estamos forzando el proceso de evolución viral: mediante confinamientos y medidas anticontagio, creamos una selección artificial de las variantes más infectivas, que prevalecen sobre las variantes originales.

La infectividad viral es una consecuencia de varios aspectos moleculares del virus; uno de ellos es la afinidad por el receptor celular, que una proteína del virus reconoce, y al que se une, iniciando el proceso de infección. La proteína viral que reconoce el receptor en la célula que va a infectar es la proteína de la espícula. Como si de un puzzle molecular se tratara, la espícula viral ‘encaja’ en el receptor. Os remito a la Noticia Nº 59 para una introducción general al SARS-CoV-2

Como es lógico, si modificamos la proteína de la espícula de modo que mejore la estabilidad de su interacción con el receptor, aumentará la infectividad. ¿como?. Para entenderlo, hay que tener en cuenta que un virus es un agregado supramolecular. Digamos que es una gran molécula heterogénea. No es un ser vivo. Si el virus tiene mayor afinidad por su receptor, quiere decir que la infección se producirá a una concentración menor. Dicho de otra manera, si aumentamos la afinidad del virus modificado por el receptor, se producirá una infección con una cantidad de virus menor que los necesarios con el virus sin modificar. Y, posiblemente, este proceso está detras del efecto de la variante UK B.1.1.7: una de sus mutaciones se encuentra precisamente en la región de la espícula que interacciona con el receptor de la célula a infectar.

En ésta entrada voy a mostraros como nosotros mismos podemos ver éste efecto: voy a tomar los datos de la estructura PDB 60MJ y, a partir de ellos, voy a:

• Calcular las interacciones por puentes de hidrógeno entre la espícula y el receptor. Estas interacciones determinan la estabilidad el complejo espícula-receptor, y, como es lógico, cuando más puentes y más fuertes, mayor estabilidad = mayor afinidad =mayor infectividad. También observaremos otras interacciones evidentes, como el stacking pi: un tipo de enlace que se produce entre aminoácidos aromáticos.
• Voy a introducir la mutación N501Y de la ‘variante británica’, que implica el cambio de la asparagina 501 de la espícula por una tirosina, justamente en la región de interacción entre la espícula y el receptor.
• Después, usando el software, el ordenador calculará la estructura más estable resultante de ése cambio y veremos si la mutación introduce la aparición de nuevas interacciones. Si la mutación implica la aparición de nuevos enlaces, esto explica fácilmente el aumento de infectividad de la ‘variante británica’.

Este procedimiento lo voy a llevar a cabo usando los softwares UCSF Chimera, Pymol y Chem3D.

La mutación N501Y de la ‘variante británica’ del SARS-CoV-2 introduce nuevas interacciones y podría aumentar la afinidad por el receptor y la infectividad

Como hemos comentado, la unión entre la espícula viral y el receptor desencadena el proceso infectivo. Esta unión se lleva cabo gracias a que se establecen una serie de interacciones no covalentes entre las dos proteínas: puentes de hidrógeno e interacciones tipo apilamiento entre anillos aromáticos. Cuanto más fuerte sea la unión, mayor estabilidad tendrá el complejo y, por tanto, mayor afinidad tendrá el virus por el receptor. Al aumentar la afinidad, aumenta la infectividad del virus, dado que se requiere una inoculación de menor cantidad de virus para producir una infección efectiva. Si, por ejemplo, el virus WT necesita (número arbitrario) introducir 1000 unidades de virus en el hospedador para producir una infección, al aumentar la afinidad por el receptor ese número se puede reducir a 500-300.

Centrándonos en las estructuras del dominio RBD de la espícula y de la proteína ACE2 (recuadrados en la figura anterior), vamos a ver el resultado que obtenemos usando los datos de la variante original del virus:

Vemos la estructura molecular del dominio RBD, en azul. Este dominio es la parte de la espícula que se une al receptor celular, la proteína ACE2. Las líneas azules representan los puentes de hidrógeno entre aminoácidos. Aquí tienen especial protagonismo el Gln 493 y la lisina 417, que forman puentes con el receptor. La fenilalanina 486 da lugar a un apilamiento pi con una tirosina del receptor. Esta interacción no existía en el SARS de 2003, y es una de las que explica la mayor afinidad (e infectividad) del SARS-CoV-2. En amarillo veis la Asn (asparagina) 501, que ya en su momento se señalaba como un aminoácido potencialmente interesante en la estructura. Vamos a ver qué ocurre cuando introducimos la mutación:

La introducción de la mutación, con la nueva tirosina en la posición 501, tiene consecuencias que son sutiles pero de gran importancia. Primero, aparecen nuevas interacciones entre el nuevo aminoácido y el receptor: nuevos puentes de hidrógeno y un enlace por stacking pi entre la tirosina 501 y una tirosina del receptor. Por otro lado, interacciones que ya existían previamente disminuyen su distancia. Los puentes de hidrógeno entre las lisina 417 y la glutamina 493 se hacen más cortos (y por tanto mas fuertes, ya que es una interacción electrostática). Como resultado la proteína mutante se une con mayor estabilidad al receptor, ya que aumentan el número de puntos de atracción electrostática y disminuye la distancia de las que ya existían. Esto da lugar a una unión más estable, y, por tanto, a un aumento de la afinidad. Esto se traduce en la práctica en un aumento de la infectividad de la variante.

Las representaciones de proteínas son algo abstractas. Para que el lector pueda ver más intuitivamente cómo se produce la unión, vamos a ver las superficies de las moléculas de proteína. Estas interaccionan ‘encajando’ y uniéndose por las interacciones electrostáticas, de modo similar a como si uniéramos unas piezas con imanes.

En cierto modo, el virus y su receptor interaccionan de modo similar a las piezas de un conector magnético, pero con una interacción electrostática en lugar de magnética.

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La fuerza y geometría de las interacciones electrostáticas determina la estabilidad de la unión entre el virus y su receptor, y, por tanto, su afinidad e infectividad. La acción de los anticuerpos se basa en un principio similar. Una pregunta habitual es si ésta nueva variante supondrá una pérdida de eficacia de las vacunas o mejorará la evasión inmune del virus. Todavía queda mucho trabajo para los científicos, pero los primeros datos indican que ésta variante no alterará la eficacia de la vacuna ni la respuesta inmune, al ser mutaciones puntuales que no afectan al reconocimiento de los anticuerpos.

Por otro lado, las modificaciones en el dominio de reconocimiento de receptor en la espícula viral, tampoco implican un aumento de la agresividad del virus, por lo que el aumento de infectividad no va asociado a un aumento de gravedad de las infecciones. Como digo, aún queda mucho que investigar y que aprender y todo puede ir cambiando, pues la pandemia evoluciona más rápido que la capacidad de los científicos para obtener resultados y avances.

Estos sencillos resultados que he mostrado, obtenidos mediante un no menos sencillo análisis computacional de datos de estructuras de proteínas, no son mas que una aproximación muy sencilla. Un estudio mas complejo y riguroso requeriría muchos mas medios y tiempo de los que dispongo, pero espero que sirva para entender la mecánica molecular que hay tras la infección del coronavirus.

Referencias

Kupferschmidt, K. Fast-spreading UK virus variant raises alarms. Science (New York, NY), 371(6524), 9-10.

Lauring, A. S., & Hodcroft, E. B. Genetic Variants of SARS-CoV-2—What Do They Mean?. JAMA.

Rynkiewicz, P., Babbitt, G. A., Cui, F., Hudson, A. O., & Lynch, M. L. A comparative survey of Betacoronavirus binding dynamics relevant to the functional evolution of the highly transmissible SARS-CoV-2 variant N501Y. bioRxiv, 2021: https://doi.org/10.1101/2020.09.11.293258

Tang, J. W., Tambyah, P. A., & Hui, D. S. (2020). Emergence of a new SARS-CoV-2 variant in the UK. Journal of Infection.

UCSF Chimera–a visualization system for exploratory research and analysis. Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Couch GS, Greenblatt DM, Meng EC, Ferrin TE. J Comput Chem. 2004 Oct;25(13):1605-12

Volz, E., Mishra, S., Chand, M., Barrett, J. C., Johnson, R., Geidelberg, L., … & Ferguson, N. M. (2021). Transmission of SARS-CoV-2 Lineage B. 1.1. 7 in England: Insights from linking epidemiological and genetic data. medRxiv, 2020-12.

Zhou, Q., Yan, R., Zhang, Y., Li, Y., & Xia, L. (2020). Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1. BioRxiv: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.17.951848v1.abstract

No hay víspera del día de difuntos sin cuento de miedo. Y no hacen falta fantasmas ni fenómenos paranormales para ello, ya que la Naturaleza nos provee de historias que podrían inspirar muchas películas truculentas. Es el caso de la relación mortal entre la avispa esmeralda (Ampulex compressa) y las cucarachas. 

La avispa parasitoide

Las avispas-joya o avispas esmeralda (género Ampulex) son un caso único desde el punto de vista del comportamiento y de la Bioquímica. Viven en una amplia distribución, fundamentalmente en África, Sur y Sudeste asiático, América e islas del Pacífico; aunque en Europa también se encuentran, son poco abundantes.

Estas avispas son parasitoides, insectos que viven su vida adulta independientemente, pero que durante su estado larval parasitan y destruyen otro insecto hospedador. Normalmente, el adulto captura, ataca o inmoviliza al hospedador, sobre el que deposita un huevo. El hospedador servirá de refugio y alimento a la larva hasta su transformación en adulto, implicando la muerte del hospedador, normalmente lenta y macabra. Un ejemplo de comportamiento parasitoide lo tenemos en el cine: las películas Alien (Ridley Scott, 1979) y Aliens (James Cameron, 1986).

La avispa esmeralda se aproxima cuidadosamente a su víctima, una cucaracha de tamaño y fuerza muy superior a ella. Cuando localiza la posición de ataque adecuada, la avispa se lanza sobre la víctima, clavando su aguijón justo en una zona específica de su tórax, paralizando un par de las patas de la cucaracha. Esta parálisis dura un par de minutos, suficiente para la avispa, que se agarra fuertemente a lo que podríamos llamar el cuello de la víctima e inyecta veneno de nuevo, esta vez con gran precisión, directamente en el cerebro de la cucaracha.  La cucaracha entonces entra en un estado placentero, que dura unos 20 minutos, similar a un post-coito o el que se produce tras una comida abundante, en el que se dedica a limpiarse cuidadosamente, mientras la avispa espera. Tras ese tiempo, el veneno ha ido haciendo su efecto completo y la cucaracha pierde toda voluntad para realizar cualquier movimiento, reflejo de huida o defensa. Entonces, la avispa se acerca y mordisquea las antenas de la víctima (se cree que es un test para comprobar que el veneno inyectado haya hecho efecto, pero no sea tanto como para matar a la cucaracha). La víctima, a partir de ese momento, solo se moverá si la avispa, a la que ha dejado de ver como una amenaza, tira de ella. Dócilmente y en un estado cerebral inducido por unos niveles muy altos de dopamina (similar a los que tienen los enamorados o los individuos muy motivados), la cucaracha irá donde la avispa la lleve. Una vez en la guarida de la avispa, ésta coloca un huevo justo debajo de una de las patas y en una zona con acceso a tejidos blandos.

En unos tres días, la larva eclosionará del huevo y empezará a succionar la hemolinfa de la cucaracha mientras segrega un cóctel de compuestos antimicrobianos, hasta que, en la siguiente fase, una vez desarrolladas las mandíbulas, entrará dentro de su cuerpo y devorará lentamente sus tejidos internos, de modo selectivo para mantener viva a la cucaracha el mayor tiempo posible en una tortura que puede durar 8 días. Tras ese tiempo, tiene lugar la fase de pupación, y en cuatro semanas una nueva avispa adulta saldrá de los restos secos de la cucaracha. Es interesante que el efecto del veneno en el cerebro de la cucaracha dura unos 8 días (suficiente para cubrir el proceso). En experimentos en los que se retira el huevo de una cucaracha atacada, el animal se recupera y vuelve a la normalidad en ese periodo.

El veneno: un arma bioquímica perfecta

Este mismo año (2018), gracias a dos extraordinarios trabajos científicos se ha encontrado y caracterizado uno de los componentes únicos y esenciales del veneno de la avispa esmeralda: el péptido ampulexina. Además de estos nuevos compuestos, el veneno de la avispa contiene otra sustancia característica, que es la dopamina, neurotransmisor que, entre otras funciones, activa los circuitos cerebrales de placer y recompensa y tiene un efecto excitante que ayudará a mantener a la cucaracha con vida. El cóctel de ampulexinas y dopamina, inyectado directamente en el cerebro de la cucaracha, anula totalmente su voluntad, convirtiéndola en un dócil, amigable y enamorado sirviente de la avispa, que la seguirá ciegamente hacia un destino mortal: ser alimento de su carnívora descendencia.

El análisis mediante proteómica ha revelado que el veneno de la avispa contiene la ampulexina como uno de los componentes esenciales y únicos, característico de esta avispa. Además contiene otros péptidos no identificados (posiblemente relacionados en función, pero que pueden dar sorpresas) y otros componentes, comunes en venenos de insectos, arañas, escorpiones y serpientes. Los venenos de éstos animales, a pesar de su distancia evolutiva, tienen sorprendentes características comunes.

Un componente habitual, muy abundante en el veneno, es la hialuronidasa. Esta enzima, componente importante en los venenos de abejas, avispas, arañas, serpientes y otros animales venenosos, tiene como función destruir el ácido hialurónico, degradando la matriz extracelular de los tejidos. En la abeja esmeralda, la hialuronidasa facilita la penetración en el cerebro de la ampulexina, haciendo que ésta tenga efecto. La hialuronidasa, inyectada en gran cantidad en el veneno de arácnidos, contribuye a licuar los tejidos de la víctima, que luego son succionados por la araña. Las células cancerosas humanas también liberan hialuronidasa, que facilita la invasión de los tejidos por los tumores malignos. Es curioso que la hialuronidasa humana es extremadamente similar a la hialuronidasa del veneno de abejas:

La similitud estructural y de secuencia de la hialuronidasa de los humanos y el veneno de abejas y avispas es sorprendente e indica que provienen del mismo ancestro común. En cierto modo, los humanos conservamos la «programación genética» para generar un veneno similar al de insectos, arañas y serpientes. 

Otro componente importante del veneno de nuestra protagonista (y de todos los insectos que pican) es la PLA2 o fosfolipasa A2. Esta enzima destruye los fosfolípidos y uno de sus efectos es provocar una respuesta inflamatoria y dolorosa, al liberarse ácido araquidónico de las membranas celulares atacadas por el  veneno. La PLA2 es una de las responsables del dolor asociado a la picadura de una avispa. Curiosamente, las abejas y avispas tienen una pequeña proteína llamada melitina, que acentúa la acción de la PLA2 y provoca un dolor intenso; esta proteína, al parecer, no se ha encontrado en el veneno de la avispa esmeralda (al menos no figura en los análisis más recientes). Es posible que esto contribuya a que la picadura sea menos dolorosa, lo cual ayudaría a que su víctima no se revuelva contra ella y a que el veneno ejerza su efecto hipnótico.

Esto que ha mostrado tan sólo es la punta del iceberg. En realidad, la composición de los venenos de insectos es muy compleja, contiene cientos de sustancias, muchas de ellas desconocidas, de modo que la acción del veneno es el resultado de todos ellos juntos. Muchas de éstas sustancias desconocidas podrían ser, algún dia, parte de tratamientos farmacológicos, lo que nos lleva a preguntarnos:

¿podría tener alguna utilidad éste veneno?

Alguien podría preguntarse: ¿esta mezcla de ampulexina y dopamina podría utilizarse para «zombificar» a los humanos, anular su voluntad y llevarlos donde uno quiera?. 

Es cierto que algunos componentes del veneno de avispa y abeja tienen potencial farmacológico. Por ejemplo el mastoparán, péptido que se encuentra en el veneno de avispas comunes, puede tener uso terapéutico como antiviral, antitumoral o en el tratamiento de la enfermedad de Chagas, gracias a su efecto tripanocida. La melitina, que provoca el dolor de la picadura de avispas y abejas, tiene efectos antitumorales muy prometedores. Poco a poco se van viendo más péptidos derivados del veneno de las avispas con actividad farmacológica, un campo de investigación reciente y que aún tiene que superar bastantes barreras.

En el caso de las nuevas ampulexinas, es difícil que alguien pudiera usarlas de modo maligno para anular la voluntad en humanos. Hay que tener en cuenta que la avispa esmeralda inyecta el veneno directamente en el cerebro de la víctima, en una maniobra de precisión. La anatomía y fisiología del cerebro humano posiblemente no permita que las ampulexinas actúen de esa forma y, si lo hicieran, para conseguir convertir a un humano en zombi, el cóctel ampulexina-dopamina y todas las proteínas necesarias para que funcione bien, no puede ser inyectado o ingerido, sino que debería ser liberado en una zona específica del cerebro con precisión. De momento, la televisión, la política y la religión consiguen un efecto similar en humanos al que produce la avispa esmeralda en su víctima, y sin necesidad de complejos cócteles bioquímicos.

El suicidio del actor Robin Williams en 2014 conmocionó al mundo del cine y a todos los que nos gustaba como actor y disfrutamos muchas de sus películas. A mi me gustó especialmente en El Club de los Poetas Muertos, El Indomable Will Hunting y Despertares, donde dió vida al neurólogo, gran amante de la Química y divulgador de la Ciencia que fué Oliver Sacks.

Algún tiempo después, su familia reveló que Robin Williams padecía un tipo de demencia, asociada a la enfermedad de Parkinson, llamada demencia con cuerpos de Lewy. Según cuentan, esta enfermedad degenerativa pudo estar detras del suicidio de Williams. Es muy complejo hablar sobre la demencia con cuerpos de Lewy en una entrada de blog, por lo que solo voy a dar unas pinceladas, centrándome en un aspecto fundamental: la importancia de la estructura de las proteínas.

Fijate en ésta imagen:

La gran mancha redonda oscura es un cuerpo de Lewy incluido en una célula de una parte del cerebro de un paciente con demencia con cuerpos de Lewy. Estos cuerpos son masas de proteínas agregadas. Estas masas de proteínas forman en primer lugar unas estructuras que se denominan agresomas (de agresión). La formación de éstos cuerpos es una consecuencia de las propiedades de las proteínas y aquí entramos en el meollo de la cuestión: las proteínas, para realizar su función tienen que plegarse dando lugar a unas estructuras tridimensionales características. Estas estructuras tridimensionales son las que dan sentido y funcionamiento a las proteínas. Lo malo es que muchas proteínas tienden, de modo natural, a plegarse «mal», siguiendo su tendencia natural. Al fin y al cabo una proteína es un tipo de poliamida, como el nylon de las fibras de tejidos sintéticos. Y, como esas fibras, las proteínas tienden a formar fibras insolubles y resistentes. Cuando una proteína en la célula se pliega mal, la célula la marca como defectuosa, para eliminarla antes de que pueda provocar daños. Este marcaje se hace con una pequeña proteína llamada ubiquitina. Las proteínas marcadas se dirigen hacia un sistema de eliminación llamado proteasoma. 

Cuando las proteínas marcadas como defectuosas se agregan, la célula las amontona en una especie de contenedor, o «punto limpio», que es el agresoma, para evitar que provoquen daños en la célula. La célula entonces elimina la basura de éste punto limpio en un proceso llamado autofagocitosis.

Si falla el proceso de limpieza del «punto limpio» por un defecto, la basura se acumula, forma una masa intratable y el agresoma se convierte en cuerpos de Lewy.

Como vengo diciendo, todo este proceso depende de cómo se doblen las proteínas y de la costumbre natural de las proteínas para formar agregados insolubles de fibras (como las poliamidas que se usan en tejidos). En el caso de la enfermedad que padecía Robin Williams, una de las proteínas responsables de la formación de los cuerpos de Lewy y de la demencia es la alfa-sinucleína. En condiciones normales, la alfa-sinucleína es una pequeña proteína esencial para el desarrollo del cerebro, ya que tiene una función fundamental en algunos procesos celulares de las neuronas. En condiciones patológicas, la alfa-sinucleína es una de las responsables de la neurodegeneración y la demencia asociada a la enfermedad de Parkinson y las demencias por cuerpos de Lewy. Y todo se debe a la física de la estructura de la proteína y su tendencia a plegarse mal. Voy a visualizarla para enseñartela, con ayuda del software Chimera y los datos del Protein Data Bank.

alfa-sinucleína normal:

Es una proteína sencilla, formada por una cadena en la que se ve, en rojo, una de las formas estructurales fundamentales que forman las proteínas: la alfa-hélice. Dos alfa-hélices se conectan por una cadena simple (un motivo muy básico en las proteíans que se llama hélice-giro-hélice) y queda otra larga cadena simple. En ésta forma, la alfa-sinucleína puede hacer su función fisiológica y es soluble (las alfa-hélices dan lugar a proteínas solubles).

Pero cuando la alfa-sinucleina se pliega mal, algo a lo que esta proteína tiene tendencia debido a su gran simplicidad, tiende a formar otro motivo estructural diferente: la lámina beta.  La lámina beta forma estructuras agregadas e insolubles y está favorecida termodinámicamente en estas cadenas cortas de proteína. Las cadenas cortas y simples de proteínas tienden de modo natural a formar fibrillas insolubles. Es decir, el esfuerzo energético para formar la sinucleína funcional de arriba es mucho mayor y, si se la deja a su aire, el fallo en el plegamiento conduce a la:

alfa-sinucleína agregada:

Este es un agregado o fibrilla de alfa-sinucleína. En morado están las láminas beta, que se organizan paralelamente unas con otras, precipitando una masa de proteínas. Forma como «pelusillas» que se van acumulando, agregándose unas a otras, ya que las láminas beta son «pegajosas» y tienden a pegarse unas a otras. La célula marca estas «pelusillas» y las guarda en el agresoma para eliminarlas. Si la célula tiene un defecto para limpiar el agresoma, es cuando se produce la enfermedad.

¿cómo provocan los cuerpos de Lewy los problemas neurodegenerativos y la demencia?. Pues parece ser que la masa de proteína precipitada interfiere con las funciones celulares, acumula iones de hierro que provocan un fuerte estrés oxidativo que termina matando la célula, dando lugar a la pérdida de las funciones de la zona afectada (motoras, cognitivas) y dando lugar a los síntomas típicos de estas enfermedades.

Al final la demencia por cuerpos de Lewy es una consecuencia natural de la propia Física de las proteínas: la termodinámica nos dice que las cadenas de proteínas, en especial las pequeñas, tienden a formar fibras de láminas beta (como la seda o el nylon). Las células invierten mucha energía y complejos mecanismos para plegar correctamente las proteínas y, cuando el plegamiento falla (por razones termodinámicas o por mutaciones en la cadena que alteran la estructura funcional) hay todo un sistema de control de calidad y eliminación. La enfermedad es el resultado de una cadena de fallos en todo este complejo sistema de construcción, control de calidad y limpieza de las proteínas. Y es el resultado de las propiedades naturales de las cadenas de proteínas, por eso es tan difícil de prevenir y tratar. Resulta extraño pensar que Robin Williams murió por culpa de una pequeña proteína que simplemente se plegó siguiendo su tendencia natural. Si ésto no te hace sentir frágil e indefenso, sometido a las leyes de la Naturaleza, no se que mas podría hacerlo.

Esto nos lleva a otra de las grandes preguntas de la Ciencia: si las cadenas de proteína tienden naturalmente a formar «pelusas» de fibrillas, ¿como se originó, al principio de la evolución, el sistema de estructuras que dió lugar a las proteínas funcionales?