Exercicis: Virus, viroides i prions

Exposa tres raons per les quals els virus no es consideren éssers vius segons els criteris clàssics (organització cel·lular, metabolisme i reproducció) i una raó per la qual el debat continua obert.

Descriu l'estructura bàsica d'un virus (genoma, càpsida i, en alguns, embolcall) i explica la diferència entre un virus despullat i un virus amb embolcall, amb un exemple de cada tipus.

Què són els viroides i què són els prions? Indica quins organismes infecten els primers i cita una malaltia humana o animal causada per prions.

Explica què és un bacteriòfag, descriu la seva estructura (cap amb el genoma, cua i fibres de fixació) i indica quina és la seva «presa» i per què cada fag infecta només certs bacteris.

Diferencia els virus amb genoma d'ADN dels d'ARN, i posa un exemple de malaltia causada per cada tipus (herpes o verola enfront de grip, xarampió o COVID-19), indicant què implica per a la seva variabilitat.

Què és una vacuna i com «entrena» el sistema immunitari sense provocar la malaltia? Cita dos tipus de vacunes (atenuades, inactivades, de subunitats, d'ARN missatger) i explica en què es diferencien.

Explica què és l'especificitat d'hoste d'un virus (per què el virus del mosaic del tabac no ens infecta?) i quines barreres ha de saltar un virus per infectar una espècie diferent (receptors, maquinària cel·lular).

Anomena tres vies de transmissió de virus (respiratòria, fecal-oral, sexual o sanguínia, per vectors com mosquits) amb un exemple de malaltia per a cadascuna, i indica una mesura de prevenció específica de cada via.

Descriu el cicle lític i el cicle lisogènic d'un bacteriòfag, indicant en què es diferencien i quina conseqüència té per al bacteri que el fag entri en latència.

Observa l'estructura del virus de la imatge. a) Explica la funció de les estructures 1, 2 i 4 durant la infecció d'una cèl·lula. b) Raona per què l'estructura 3 fa que aquest tipus de virus sigui especialment sensible al sabó i a les solucions alcohòliques. c) Es pot saber només amb la imatge si el seu genoma és ADN o ARN? Justifica la teva resposta.

L'enfocament «una sola salut» (one health) entén la salut humana, la dels animals i la del medi ambient com un únic sistema connectat. Explica'l a partir de les zoonosis víriques: posa dos exemples (ràbia, grip aviària o COVID-19) i raona com la desforestació, la ramaderia intensiva i el comerç de fauna afavoreixen que un virus salti d'una espècie animal a l'ésser humà.

Ordena i descriu les fases del cicle de replicació d'un virus (adsorció, penetració, replicació i síntesi, acoblament, alliberament), i indica en quins passos poden actuar els fàrmacs antivirals (bloqueig de l'entrada, inhibició de la polimerasa o de la proteasa).

La grip canvia de dues maneres. Diferencia la deriva antigènica (mutacions puntuals anuals) del canvi o salt antigènic (recombinació entre virus, origen de les pandèmies), i raona per què la grip aviària i la porcina es vigilen com a possibles fonts de nous virus pandèmics.

Les vacunes d'ARN missatger es van estrenar massivament amb la COVID-19. Explica com funcionen (instrucció temporal perquè les nostres cèl·lules fabriquin l'antigen), quin avantatge de rapidesa de disseny ofereixen i per què és fals que puguin modificar el nostre ADN (on actua l'ARNm i quina vida mitjana té?).

El virus del papil·loma humà (VPH) pot causar càncer de coll d'úter i altres tumors. Explica com un virus pot afavorir el càncer (alteració del control del cicle cel·lular per les seves proteïnes), per què triga anys a aparèixer i per què la vacunació d'adolescents —nois i noies— és una vacuna contra el càncer.

El VIH infecta els limfòcits T CD4. Explica per què la destrucció d'aquestes cèl·lules desorganitza tot el sistema immunitari, què és la sida (la fase final sense tractament) i per què els antiretrovirals converteixen la infecció en una malaltia crònica controlada però no la curen (reservoris de virus latent).

Durant un brot d'un nou virus respiratori s'estima un nombre bàsic de reproducció $R_0 = 2,5$.

1. a) Les autoritats sanitàries es plantegen dos escenaris alternatius: aplicar mesures de contenció no farmacològiques (mascaretes i ventilació, que redueixen la probabilitat de contagi per contacte en un $40\,\%$) o confiar exclusivament en una vacuna amb una eficàcia del $80\,\%$ aplicada al $60\,\%$ de la població. Prediu quantitativament quina de les dues estratègies aconseguirà per si sola frenar l'expansió del brot (fer que el nombre reproductiu efectiu $R_t$ sigui menor que $1$), justificant els teus càlculs.
2. b) Un representant públic afirma: «Si aconseguim vacunar el $50\,\%$ de la població amb una vacuna $100\,\%$ efectiva, el virus s'extingirà immediatament perquè la meitat de la població ja no encomana». Rebat quantitativament i biològicament aquesta afirmació calculant el valor resultant d'$R_t$ i descrivint què passarà a curt termini amb la corba de contagis.

En un laboratori s'analitzen dos virus emergents que infecten limfòcits humans: el virus Alpha (amb genoma d'ADN bicatenari de $150\text{ kb}$) i el virus Beta (amb genoma d'ARN monocatenari de $15\text{ kb}$). S'aïllen partícules virals de pacients després de sis mesos d'infecció:

• En Alpha, la seqüència del gen de la glicoproteïna d'adhesió presenta una divergència mitjana del $0,001\,\%$ respecte a la soca inoculada.

• En Beta, la divergència en la proteïna homòloga és del $4,2\,\%$, i es troba un ampli núvol de variants en un mateix hoste.

1. a) Justifica a escala molecular i enzimàtica la causa d'aquesta enorme disparitat en les taxes de mutació observades entre ambdós virus.
2. b) Per combatre ambdós patògens, s'assaja una vacuna de subunitats proteiques basada en una única variant de la proteïna d'adhesió i un fàrmac inhibidor d'aquesta proteïna. Prediu raonadament el pronòstic d'efectivitat a mitjà termini d'aquestes estratègies en Alpha i en Beta.
3. c) Quina diana vírica o estratègia farmacològica proposaries per al virus Beta amb la finalitat de reduir la probabilitat que desenvolupi variants resistents?

Un equip de recerca intenta determinar la naturalesa de l'agent infecciós causant d'una nova encefalopatia espongiforme. Per a fer-ho, sotmet mostres de teixit cerebral infecciós a diferents tractaments abans d'inocular-les en ratolins sans de laboratori:

• Tractament 1: Digestió exhaustiva amb DNAses i RNAses $\rightarrow$ El $100\,\%$ dels ratolins emmalalteix.

• Tractament 2: Irradiació ultraviolada a dosis letals per a àcids nucleics $\rightarrow$ El $100\,\%$ dels ratolins emmalalteix.

• Tractament 3: Autoclau a $121\text{ }^\circ\text{C}$ durant $20\text{ minuts}$ $\rightarrow$ El $100\,\%$ dels ratolins emmalalteix.

• Tractament 4: Ebullició prolongada en hidròxid sòdic ($1\text{ M}$) o digestió amb proteases enèrgiques $\rightarrow$ Cap ratolí emmalalteix.

• Tractament 5: S'inocula la mostra infecciosa intacta en ratolins Knock-Out als quals s'ha suprimit el gen $PRNP$ (no expressen la proteïna cel·lular normal $\text{PrP}^\text{C}$) $\rightarrow$ Cap ratolí desenvolupa la malaltia ni multiplica l'agent patogen.

1. a) Interpreta els resultats dels tractaments 1, 2 i 4: dedueix la naturalesa bioquímica de l'agent patogen i justifica per què el seu descobriment va suposar una aparent violació del dogma central de la biologia molecular.
2. b) Explica a escala estructural (conformació secundària i agregació) per què el tractament 3 va fracassar però el tractament 4 va aconseguir neutralitzar la infectivitat.
3. c) Dedueix a partir del tractament 5 el mecanisme pel qual aquest patogen aconsegueix «replicar-se» en un hoste sa i explica per què els ratolins sense el gen $PRNP$ resulten immunes.

El virus del xarampió és un dels patògens més transmissibles coneguts, amb un $R_0 \approx 15$. En una població de $300.000$ habitants es disposa d'una vacuna l'efectivitat de la qual enfront de la infecció és del $95\,\%$.

1. a) Dedueix a partir de la condició de control epidèmic ($R_t < 1$) la fórmula del llindar d'immunitat de grup ($H_c = 1 - 1/R_0$) i calcula el percentatge real mínim de la població que ha de ser vacunat per garantir la protecció col·lectiva tenint en compte l'efectivitat de la vacuna.
2. b) Després d'una campanya de desinformació, la cobertura vacunal en aquesta comunitat descendeix al $88\,\%$. Si penetra un cas primari a la comunitat, prediu quantitativament si el brot s'extingirà o derivarà en epidèmia calculant el valor del nombre reproductiu efectiu ($R_t$).
3. c) En aquesta població resideixen 600 persones que no poden vacunar-se per contraindicacions mèdiques (immunodepressió o al·lèrgies greus). Justifica biològicament el concepte de «vacunació com a acte solidari» i il·lustra quina diferència experimenta aquest col·lectiu vulnerable si la cobertura de la població sana és del $98\,\%$ enfront de si és del $88\,\%$.

Formes part d'un panell epidemiològic que ha d'avaluar la viabilitat biològica d'erradicar tres patògens vírics:

• Virus A (Virus de la ràbia): Virus d'ARN; letalitat propera al $100\,\%$; infecta múltiples mamífers silvestres (ratpenats, guineus) i domèstics; existeix una vacuna inactivada altament eficaç.

• Virus B (Poliovirus tipus 1): Virus d'ARN; reservori exclusivament humà; entre el $90\,\%$ i el $95\,\%$ dels infectats són completament asimptomàtics però excreten partícules víriques viables en femta durant setmanes; existeix vacuna oral i inactivada eficaç.

• Virus C (Virus del xarampió): Virus d'ARN; reservori exclusivament humà; pràcticament el $100\,\%$ dels infectats desenvolupa clínica florida característica (febre, exantema) sense casos asimptomàtics que transmetin; $R_0 \approx 12\text{-}18$; existeix vacuna atenuada eficaç.

1. a) Basant-te en el concepte de reservori natural, justifica per què el Virus A no és biològicament erradicable a escala global, a diferència del que es va aconseguir amb la verola humana.
2. b) Compara les dificultats epidemiològiques del Virus B enfront del Virus C: quin dels dos planteja un obstacle més gran per a la detecció i aïllament precoç de les cadenes de transmissió? Justifica la teva resposta.
3. c) Dissenya un mètode de vigilància epidemiològica no invasiu que permeti detectar la circulació activa del Virus B en una ciutat sense necessitat de fer preses de mostres clíniques individuals a tota la població.

En una regió de selva tropical es talen $60.000\text{ hectàrees}$ de bosc primari per implantar monocultius i explotacions porcines intensives. Dos anys després, es registra un brot de síndrome respiratòria aguda i encefalitis en treballadors de les granges, causat per un virus ARN nou emparentat amb patògens de quiròpters.

1. a) Formula una hipòtesi ecològica que descrigui la cadena de transmissió del salt zoonòtic (spillover), explicant el paper de la pertorbació de l'ecosistema, el ratpenat com a reservori silvestre i el bestiar porcí com a hoste amplificador.
2. b) El mostreig biològic revela que en els fragments de bosc degradat la riquesa d'espècies de quiròpters ha descendit un $65\,\%$, però la densitat d'una espècie oportunista reservori del virus s'ha triplicat. Relaciona aquest patró amb el concepte ecològic de l'«efecte de dilució» i argumenta per què la pèrdua de biodiversitat incrementa el risc de zoonosi.
3. c) Des de l'enfocament multidisciplinari One Health («Una sola salut»), dissenya dues mesures de prevenció aplicables sobre el medi ambient o la gestió agropecuària que evitin futurs esdeveniments d'emergència vírica a la zona.

El viroide del tubernacle fusiforme de la patata (PSTVd) consta d'una sola molècula circular d'ARN monocatenari de 359 nucleòtids. L'anàlisi de la seva seqüència revela que no té en absolut codons d'inici AUG ni cap marc obert de lectura (ORF), per la qual cosa no sintetitza cap proteïna.

1. a) En incubar PSTVd amb ribosomes i factors de traducció en un tub d'assaig no es sintetitza cap pèptid. Tanmateix, en inocular-lo en nuclis de cèl·lules de patata, el viroide es replica profusament. Justifica com aconsegueix un àcid nucleic no codificant multiplicar-se dins de la cèl·lula vegetal i dedueix quin enzim nuclear de la planta és segrestat per a aquesta finalitat.
2. b) Si el viroide no produeix toxines ni proteïnes de càpsida, com causa necrosi i malformacions greus a la planta? Explica el mecanisme patogènic a escala molecular basant-te en el processament cel·lular de l'ARN exogen mitjançant enzims tipus Dicer i la via de l'ARN d'interferència (siRNA).
3. c) Certs viroides presenten dominis amb activitat ribozim capaços de catalitzar el seu propi tall i lligament durant la replicació. Justifica per què es considera els viroides candidats a «fòssils moleculars» de les etapes inicials de l'origen de la vida cel·lular.

Un pacient amb infecció per VIH no tractat presenta una càrrega viral amb producció diària de $10^9$ virions. La transcriptasa inversa del virus no té activitat correctora de proves i comet $1$ error per cada $10^4$ nucleòtids (la mida del seu genoma és d'unes $10^4$ bases).

1. a) S'estima que la probabilitat que una partícula vírica adquireixi a l'atzar una mutació que confereixi resistència al fàrmac A és de $10^{-5}$, al fàrmac B és de $10^{-5}$ i al fàrmac C és de $10^{-6}$ (mutacions independents):

• Calcula quants virions resistents al fàrmac A es generen al dia en aquest pacient i prediu què passarà amb la càrrega viral si se'l tracta exclusivament amb el fàrmac A en monoteràpia.

• Calcula la probabilitat teòrica que un únic virió acumuli simultàniament resistència enfront dels fàrmacs A, B i C combinats. A partir d'aquest valor, justifica l'èxit terapèutic del tractament antiretroviral combinat (TARGA o triteràpia).

1. b) Si el pacient segueix la triteràpia però incompleix les dosis de manera irregular (oblits freqüents), prediu les conseqüències evolutives sobre la diversitat de quasiespècies del virus i explica per què aquesta conducta desencadena el fracàs terapèutic multiresistent.
2. c) Per què l'existència de quasiespècies i l'alta taxa mutacional han impedit aconseguir una vacuna eficaç contra el VIH, mentre que sí que existeixen vacunes esterilitzants i duradores per a virus de genoma estable com el de la verola o les galteres?

Repte del tema. Imagina que assessores la Conselleria de Sanitat i Agricultura. La teva missió és avaluar l'amenaça de les formes acel·lulars al teu entorn i dissenyar una guia tècnica de bioseguretat.

1. Obtenció de dades reals: Accedeix a les publicacions de l'Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) o del Ministerio de Agricultura (MAPA). Registra la incidència o prevalença recent d'una virosi (per exemple, grip amb una taxa de $18,4$ casos per $100.000$ habitants), un viroide vegetal (com el de l'atrofiament del tomàquet) i una prionopatia ramadera.

2. Anàlisi comparativa: Elabora una taula on contrastis els tres agents segons la seva composició ($ARN$, $ADN$ o isoforma proteica $PrP^{Sc}$), presència o absència de càpsida/embolcall i mida aproximada en nanòmetres ($nm$).

3. Dictamen raonat: Redacta una proposta d'actuació ($1$ pàgina) explicant quins tractaments físics o químics (autoclau, radiació UV, lleixiu) són eficaços enfront de cadascun, justificant per què la resistència d'un prió o un viroide difereix dràsticament de la d'un virus amb embolcall lipídic.

Es valorarà:

• Rigor conceptual en diferenciar l'estructura molecular i patogènia de virus, viroides i prions.

• Obtenció precisa i citació adequada de dades epidemiològiques procedents de fonts oficials.

• Coherència científica en la justificació fisicoquímica dels mètodes de desinfecció proposats.