Recientemente, un equipo de investigadores ha llevado a cabo un experimento innovador, recreando en un tubo de ensayo la evolución del coronavirus durante la pandemia de Covid-19. Este proceso, que abarcó varios meses, comenzó con la cepa original de Wuhan y avanzó hasta la aparición de las variantes sumamente contagiosas de Ómicron. Este proyecto fue posible gracias a la colaboración entre los laboratorios de Gideon Schreiber en el Instituto Weizmann de Ciencias y Jiří Zahradník en la Facultad de Medicina de la Universidad Carolina de Praga y el Centro BIOCEV.
Los resultados de este estudio, publicados en la revista Nature Communications, ofrecen nuevas esperanzas acerca de la capacidad de los científicos para anticipar la evolución de los virus y reconocer las condiciones que podrían llevar a nuevas olas de infecciones.
En agosto de 2021, Schreiber y su equipo habían realizado un primer experimento de evolución in vitro que identificó ciertas mutaciones en el sitio de unión del coronavirus, las cuales aumentan la capacidad de contagio al mejorar la unión del virus con los receptores en las vías respiratorias humanas.
Solo tres meses más tarde, se identificó la variante Ómicron en Sudáfrica, y al secuenciar su genoma, los investigadores encontraron las mismas mutaciones previamente observadas. Schreiber se dio cuenta de que el método in vitro desarrollado en su laboratorio podría tener la capacidad de predecir eventos clave en la trayectoria de las pandemias.
La evolución de los virus ocurre a través de mutaciones y selección natural. Para sobrevivir y reproducirse, los virus replican su material genético rápidamente, lo que a menudo resulta en errores que generan nuevas variantes. En este nuevo estudio, los investigadores replicaron el gen responsable del sitio de unión del coronavirus utilizando un método intencionalmente propenso a errores, permitiendo simular en “avance rápido” la aparición de mutaciones.
Utilizando cepas de levadura modificadas genéticamente, los científicos expusieron millones de variantes resultantes a receptores humanos, y mediante un proceso de selección natural, retuvieron únicamente aquellas que seguían logrando unirse con éxito. Al repetir los ciclos de mutación y selección, los investigadores pudieron recrear la evolución de la interacción entre el virus y los humanos a lo largo de la pandemia.
El experimento, realizado en el Instituto Weizmann y dirigido por Aviv Shoshany, comenzó con la cepa original de Wuhan y diversas variantes que emergieron durante la pandemia, tales como Alfa, Beta y Ómicron. Los científicos evaluaron cómo evolucionaban los sitios de unión del virus bajo condiciones de presión de selección fuerte y débil. En el primer caso, solo un pequeño número de virus sobrevive en cada fase evolutiva, permitiendo que las mutaciones ventajosas se vuelvan rápidamente predominantes.
“Sin importar con qué variante comenzáramos, bajo una presión de selección fuerte se desarrolló rápidamente una variante notablemente similar a Ómicron y sus subvariantes, que pronto dominó toda la población”, comenta Schreiber. “La trayectoria observada durante nuestra investigación coincide con el curso del coronavirus en la pandemia, que no ha tenido cambios significativos desde que Ómicron se volvió dominante a finales de 2021. Logramos recrear con precisión esta evolución en el laboratorio en el transcurso de unos meses”.
Schreiber sugiere que futuras pandemias emergentes que pasen de animales a humanos podrían seguir un patrón similar, con una rápida evolución hacia una variante que sea altamente contagiosa y esté especialmente adaptada a los receptores humanos. “Investigamos si esto podría suceder con el virus del SARS (SARS-CoV-1), que tuvo un brote controlado al inicio de los 2000. Al aplicar evolución in vitro bajo fuerte presión de selección, emergió una variante que se unía eficazmente a los receptores de las vías respiratorias. Sin embargo, gracias a su similitud con el virus que causó la pandemia, es probable que ya tengamos algo de inmunidad”, añade.
El curso evolutivo que llevó al dominio de Ómicron no se reprodujo bajo condiciones de presión de selección débil, y las simulaciones por computadora explican este fenómeno. Durante las mutaciones, varias pueden aparecer simultáneamente; si una mutación proporciona una ventaja, otras -neutras o incluso perjudiciales- pueden ser transportadas junto a ella. En condiciones de fuerte presión, las mutaciones ventajosas prevalecen antes de que se acumulen las menos favorables, mientras que en condiciones de presión débil, las mutaciones beneficiosas arrastran consigo mutaciones adicionales, disminuyendo su efectividad de transmisión.
El origen de Ómicron sigue sin ser totalmente claro, ya que presenta diferencias significativas con otras variantes del virus. En individuos sanos, el sistema inmunológico suele eliminar el virus rápidamente, dejando poco tiempo para la acumulación de mutaciones. Por ello, los investigadores sugieren que Ómicron podría haber emergido en personas inmunodeprimidas, donde las infecciones pueden persistir durante un periodo prolongado.
“Para prosperar en estos organismos, el virus debía hacer frente a la actividad inmunitaria residual y reinfectar los receptores de las vías respiratorias de manera constante”, explica Schreiber. “Esas condiciones reflejan una fuerte presión de selección, y nuestro estudio valida que estas son críticas para la aparición de Ómicron, respaldando la hipótesis de que su origen se encuentra en individuos inmunocomprometidos. Curiosamente, al iniciar la selección a partir de Ómicron, tanto la fuerte como la débil presión de selección lograron mantener las secuencias de esta variante, lo que explica su persistencia en la población general. Esto subraya la necesidad de tratar adecuadamente las condiciones inmunosupresoras, como el SIDA, antes de que surja la próxima pandemia global y de proteger a las personas inmunodeprimidas de infecciones y enfermedades crónicas”.
La infectividad, la estabilidad estructural y la capacidad de evadir el sistema inmunológico son tres factores centrales que determinan si un virus puede sobrevivir en humanos. Sin embargo, la relación entre estos elementos había sido previamente desconocida. “En nuestro experimento, en cada fase seleccionamos aquellas variantes que se unían mejor al receptor humano y, en condiciones de fuerte selección, además requerimos que mantuvieran estabilidad a altas temperaturas”, concluye Schreiber.
