¿Por qué los virus son icosaedricos?

Este asunto es meterse en un berenjenal. Sin querer, estamos familiarizados con una representación más o menos universal de los virus como objetos que responden a una geometría regular. Ello parece los acerca al mundo no-vivo sobre el que tanto nos gusta divagar. Sin saber, aceptamos una representación tridimensional poliédrica como abstracción funcional de como un virus podría ser, debe ser o es. Así lo muestran las imágenes de microscopía desde hace cerca de 70 años. O filamentosos o esfericos-polihédricos. Hasta donde conocemos, sólo adquieren estas arquitecturas.

Lo mas difícil de pensar, demostrar y contrastar con la experiencia es precisamente éso ¿por qué? ¿cómo?.

Las estructuras virales se montan sobre unidades base de naturaleza proteica. Por desgracia las proteínas son elementos asimétricos, aunque adoptan plegamientos específicos que facilitan y favorecen su interacción precisa para un ensamblaje en estructuras de orden superior. Las que forman las cubiertas virales (cápsidas) también. Así, las unidades de estructura son las unidades de construcción más pequeñas de la cápsida funcionalmente equivalentes y los capsómeros son las unidades morfológicas que pueden apreciarse en la superficie de la partícula viral y están formadas por distintas agrupaciones de unidades de estructura.

Tenemos pues un puzzle de fichas idénticas que han de organizarse, auto ensamblarse en estructuras isótropas ¿por qué isótropas y simétricas? Si lo hicieran de manera enloquecida, amorfa tendríamos serios problemas. Describo algunos: la forma, que soporta complejidad funcional está también en la base de la identidad;  las cápsidas son elementos intermediarios en el ciclo replicativo de los virus, han de ser suficientemente estables pero también razonablemente plásticos para poder interaccionar con los receptores de las células que infectan y comenzar el ciclo replicativo dentro de las mismas. Parece sensato disponerse siempre en una forma mayoritaria. Simplemente porque es el primer punto de control, aunque no el único,  del proceso infectivo, del acceso a la intimidad de las células diana y en definitiva, de la patogénesis. Pero además han de ser productos energéticamente estables, o de lo contario la Termodinámica los destruiría. Por último, las proteínas que las construyen son limitadas en tamaño y versatilidad, así que no es fácil generar infinita diversidad con una monotonía de componentes. Vamos, que hay razones de peso para estar sujetos a regularizar su arquitectura. 

Patrones tridimensionales regulares, con caras y ángulos iguales conocemos sólo cinco, los poliedros llamados platónicos, expresión de la pureza y el orden del mundo griego. Según el polígono que forma sus caras, y el número de vértices y caras tenemos cubo, tetraedro y octaedro, icosaedro y dodecaedro. Cada uno de  ellos tienen el mismo número de caras en cada vértice. Truncando los vértices podemos obtener una gama extraordinaria de formas poliédricas que permiten transformar unos en otros.

Construir elementos simétricos, o casi, (cápsidas) a base de componentes asimétricos (proteínas) es una  tarea difícil. Una opción es hacer tríadas idénticas que permitan y ajusten idénticas interacciones entre idénticos elementos (proteínas) en triángulos. Tres proteínas forman un triángulo. Ya tenemos la unidad estructural, el capsómero mínimo. Y con triángulos ¿qué hacemos? Con triángulos equiláteros como unidad de estructura podemos hacer cualquiera de los poliedros. Cubos, dodecaedros… . 

Pero ¿porqué el icosaedro ha sido la estructura definida y modelada en la evolución? D.L. Caspar junto a A. Klug  (C & K http://www.sb.fsu.edu/~caspar/) desarrollaron una teoría estructural constructivista de virus en 1962, que explicaba el diseño de las cápsidas virales. Enumeraron las posibles maneras en que unidades idénticas  pudieran conectarse  utilizando los mismos contactos con las unidades vecinas para formar contenedores cerrados.  La comparación entre los diversos poliedros posibles teniendo en cuenta el mejor ajuste (i) de ángulos diedros entre elementos estructurales vecinos o (ii) de las aristas al los bordes de una esfera en la que se inscriben, dan los óptimos resultados para el icosaedro.

El icosaedro tiene cierta magia constructiva, topológica y volumétrica:  es isotropico, es el más parecido al volumen de la esfera y es regular. Si queremos aproximarnos al volumen de una esfera con un poliedro el que mejor encaja es el icosaedro, y ello es una propiedad muy práctica, obtener el máximo volumen con la mínima superficie. ¿Importan estos parámetros? El tamaño sí importa, y mucho. No olvidemos que hay que encerrar un genoma, y que hay que economizar componentes así que crecer en volumen a costa de hacerlo menos en la superficie representa una ventaja. Este es el icosaedro.

A C & K les rompía la cabeza el que la microscopía electrónica mostraba virus que aunque parecidas no podían explicarse mediante la “simplicidad” del icosaedro. Así que como teóricos, ¡qué grandes! Inventaron la quasi-equivelencia como alternativa a idénticas relaciones entre los capsómeros para idénticas posiciones. Debían existir alternativas.

Y estas vinieron de las formas ideadas por Fuller, el inmenso ¿qué! creativo? arquitecto? ingeniero? diseñador? inventor?

Richard Buckminster Fuller fue uno de los primeros en explorar los principios de la eficiencia energética y la eficiencia de materiales en los campos de la arquitectura, la ingeniería y el diseño: Diseñar es hacer lo máximo con lo mínimo. Fuller fue famoso por sus cúpulas geodésicas, patentadas en 1954.  Su construcción se basa en los principios básicos de las estructuras de tensegridad, que permiten montar estructuras simples asegurando su integridad tensional (tetraedros, octaedros y conjuntos cerrados de esferas). Son extremadamente ligeras y estables.

Y C&K las tomaron para explicar la organización estructural de las cápsidas virales complejas sobre una base icosaédrica.  La magia de la genialidad: casi treinta años después, en 1992 se demostró que efectivamente esas relaciones de quasi-equivalencia existían en la realidad y la estructura de un minúsculo virus que puede producir ciertos tumores, el polyomavirus SV40 responde a las predicciones de C&K.

La cápsida se construye sobre la base del inmenso potencial derivado de los límtes de plasticidad de la estructura protéica. Explota todo el potencial flexible de las proteínas para disponer idénticos ladrillos en contextos quasi-equivalentes pero no idénticos.

La simetría es cosa de componentes asimétricos ordenados con cierta libertad. Las restricciones físicas quizá sean meros ejecutores con un poder relativo. Al final triunfa la libertad.