Los virus han dado el salto a la actualidad mundial debido a la pandemia de la enfermedad COVID-19 generada por el virus SARS-CoV-2. Sin embargo, estos microorganismos de comportamiento y estructuras muy singulares han captado la atención de diferentes ciencias desde que la virología diese sus primeros pasos a finales del siglo XIX.

Los virus son partículas microscópicas de código genético (pueden contener ADN o ARN) envueltas en proteínas que no son capaces de reproducirse por sí mismas, sino que necesitan colonizar otra célula. Así se produce la infección. Detrás de este proceso hay un asombroso mecanismo de supervivencia que fascina a científicos que van desde biólogos, químicos y médicos, hasta ingenieros que buscan utilizar el potencial comunicador de los virus para desarrollar las baterías del futuro. ¿Dónde está el secreto de su poderoso mecanismo? Las matemáticas podrían ser la respuesta, o al menos una de las pistas principales.

La clave geométrica de los contagios

Dentro de un virus se producen uniones de macromoléculas que, vistas al microscopio, forman espectaculares arquitecturas moleculares. Cada virus, según su comportamiento, genera una estructura geométrica diferente que, por ende, condiciona su funcionamiento. ¿Son entonces las matemáticas una herramienta para frenar el mecanismo de propagación de un virus y no solo para predecir su modelo de contagio? La respuesta es sí.

En 1956 (tres años después de que se publicase su trabajo sobre la estructura de doble hélice del ADN), Francis Crick y James Watson fueron los primeros en intentar explicar la estructura de los virus y propusieron que, en efecto, siguen una simetría en la organización de la estructura de proteínas de su cápside (envoltura) por una cuestión de economía genética. Para que la construcción de la cápside sea lo más económica posible en cuanto a codificación genética, es preciso que utilice el mismo tipo de moléculas una y otra vez, siguiendo así un patrón geométrico que da lugar a una estructura poliedral. Tal y como plantearon los que serían ganadores del premio Nobel de Medicina en 1962, un genoma viral solo puede incluir instrucciones para un número limitado de proteínas de cápside distintas, lo que garantiza la simetría.

Tensegridad: la solución arquitectónica del problema

Pero… si la geometría es la que explica el origen de la estructura de los virus ¿cómo se entiende entonces que algunos tengan forma esférica? El biólogo estructural Donald Caspar y el bioquímico Aaron Klug (que sería galardonado veinte años después con el Premio Nobel de Química por un trabajo de cristalografía) afinaron con su teoría geométrica lo que hasta entonces se conocía sobre la organización estructural de los virus inspirados precisamente por la arquitectura.

En 1962, en el trabajo que sentaría las bases de la que ha pasado a la historia como la teoría CK (Caspar-Klug), los científicos incluían una foto de un edificio del arquitecto e inventor Richard Buckminster Fuller: una cápsula geodésica formada a partir del ensamblado de hexágonos y pentágonos divididos en triángulos. Este principio de unión por el cual los componentes aislados se comprimen dentro de una red tensada y continua se conoce como estructura de tensegridad (un término acuñado por el propio Fuller que deriva de la unión de las palabras tensión e integridad). Caspar y Klug propusieron que los virus esféricos en realidad se estructuran como cúpulas geodésicas o domos en miniatura, introduciendo así el concepto de la casi-equivalencia para predecir aproximadamente dónde se ubican las proteínas en la cubierta del virus.

Geometría que cura: una aliada en el diagnóstico de enfermedades

Investigadores de la Universidad de York y de la Universidad de San Diego han desarrollado un nuevo marco matemático que cambia la forma de entender la estructura de algunos virus, lo que abre la posibilidad de nuevas terapias antivirales. En un artículo publicado en la revista Nature Communications en 2019, varios investigadores explicaban la que parece ser la pieza final del puzzle: los hilos pendientes de la teoría CK estarían resueltos por esta nueva conceptualización matemática que explicaría algunos problemas abiertos hasta la fecha en virología. Más de medio siglo después del planteamiento de la teoría de Caspar-Klug, la mejora en la capacidad técnica para obtener imágenes microscópicas ha revelado que muchas estructuras de virus no se ajustan a los planos propuestos en 1962. Los contenedores de proteínas de los virus se han desarrollado con diferentes arquitecturas icosaédricas (cuerpos geométricos de veinte caras) para proteger así su material genético. Esta nueva teoría demuestra que la casi-equivalencia de Caspar-Klug es parte de un conjunto más amplio de restricciones estructurales, lo que permite establecer por primera vez con total precisión cómo se colocan las proteínas en los contenedores icosaédricos que recubren la información genética de los virus. El análisis exacto de estas propiedades físicas de los virus permitirá conocer los puntos flacos de su estabilidad y comprender mejor cómo atacar los mecanismos de infección para desarrollar nuevas terapias antivirales, tal y como explica el profesor Reidun Twarock, uno de los autores del artículo.

Este singular cruce de conocimientos entre matemáticas, arquitectura y medicina hubiese sido imposible sin la excéntrica figura de Fuller. Una vez que se popularizó la estructura de sus cúpulas geodésicas, científicos y médicos pusieron el foco en las estructuras de tensegridad presentes en distintos materiales de la naturaleza. El propio Fuller participó en la construcción de un modelo del virus de la poliomielitis hecho con madera, una enfermedad que había costado la vida a su primera hija, Alexandra. A mediados de los años 80, una nueva familia de moléculas de carbono con la forma de un balón de fútbol fue descubierta y nombrada en honor a Fuller como fullerenos o buckyballs.

Fuente: bbvaopenmind.com