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¿Cómo explicar el genoma, los genes, el ARN y las proteínas en una figura a un no biólogo?


Tengo una presentación que hacer donde asisten personas que no son biólogos. Para presentar un poco mi trabajo, tengo que hacer un breve resumen sobre los genomas. Entonces, ¿qué es un genoma, un gen, un ARNm y una proteína? Y lo mejor sería tener eso en una figura, fácil de entender. Encontré esto: http://dnamismatch.com/Test/wp-content/uploads/2013/07/Genes-and-genomes.png">genomes

Dogma central de la biología molecular

los dogma central de la biología molecular es una explicación del flujo de información genética dentro de un sistema biológico. A menudo se dice que "el ADN produce ARN y el ARN produce proteínas", [1] aunque este no es su significado original. Fue declarado por primera vez por Francis Crick en 1957, [2] [3] luego publicado en 1958: [4] [5]

El dogma central. Esto indica que una vez que la "información" ha pasado a la proteína, no puede volver a salir. Más detalladamente, la transferencia de información de un ácido nucleico a otro, o de un ácido nucleico a una proteína, puede ser posible, pero la transferencia de una proteína a otra o de una proteína a un ácido nucleico es imposible. Información significa aquí la determinación precisa de la secuencia, ya sea de bases en el ácido nucleico o de residuos de aminoácidos en la proteína.

Lo reiteró en un Naturaleza artículo publicado en 1970: "El dogma central de la biología molecular se ocupa de la transferencia detallada residuo por residuo de información secuencial. Establece que dicha información no se puede transferir de la proteína a la proteína o al ácido nucleico". [6]

Una segunda versión del dogma central es popular pero incorrecta. Esta es la vía simplista ADN → ARN → proteína publicada por James Watson en la primera edición de La biología molecular del gen (1965). La versión de Watson difiere de la de Crick porque Watson describe un proceso de dos pasos (ADN → ARN y ARN → proteína) como el dogma central. [7] Si bien el dogma, como lo declaró originalmente Crick, sigue siendo válido hoy, [6] la versión de Watson no lo es. [2]

El dogma es un marco para comprender la transferencia de información secuencial entre biopolímeros portadores de información, en el caso más común o general, en organismos vivos. Hay 3 clases principales de dichos biopolímeros: ADN y ARN (ambos ácidos nucleicos) y proteína. Hay 3 × 3 = 9 transferencias directas de información concebibles que pueden ocurrir entre estos. El dogma los clasifica en 3 grupos de 3: tres transferencias generales (que se cree que ocurren normalmente en la mayoría de las células), tres transferencias especiales (que se sabe que ocurren, pero solo bajo condiciones específicas en el caso de algunos virus o en un laboratorio) y tres transferencias desconocidas. transferencias (se cree que nunca ocurren). Las transferencias generales describen el flujo normal de información biológica: el ADN se puede copiar en el ADN (replicación del ADN), la información del ADN se puede copiar en el ARNm (transcripción) y las proteínas se pueden sintetizar utilizando la información del ARNm como plantilla (traducción). Las transferencias especiales describen: la copia de ARN a partir de ARN (replicación de ARN), la síntesis de ADN mediante una plantilla de ARN (transcripción inversa) y la síntesis de proteínas directamente a partir de una plantilla de ADN sin el uso de ARNm. Las transferencias desconocidas describen: una proteína que se copia de una proteína, la síntesis de ARN utilizando la estructura primaria de una proteína como plantilla y la síntesis de ADN utilizando la estructura primaria de una proteína como plantilla; no se cree que esto ocurra de forma natural. [6]


Dogma central de la biología molecular (con diagrama) | Biología

El proceso de síntesis de proteínas implica uno de los dogmas centrales de la biología molecular, según el cual la información genética fluye de los ácidos nucleicos a las proteínas. Fue propuesto por primera vez por Crick en el año 1958. El primer paso de este dogma central es la síntesis de ARN a partir de ADN. Esto se conoce como transcripción. El segundo paso implica un cambio de código de secuencias de nucleótidos a secuencias de aminoácidos y se denomina traducción.

Puede ilustrarse de la siguiente manera:

El ADN que se encuentra en los organismos tiene dos funciones principales: replicación y fenogénesis. La fenogénesis es un mecanismo por el cual el fenotipo de un organismo se produce bajo el control del ADN en un entorno determinado. El medio ambiente incluye factores externos como la temperatura, calidad y cantidad de luz, y factores internos como hormonas y enzimas.

El fenotipo de un organismo es el resultado de diversas actividades embriológicas y bioquímicas de sus células desde la etapa cigótica hasta la adulta. Todas estas actividades involucran la acción de una variedad de enzimas estructurales y funcionales. Las enzimas realizan funciones catalíticas provocando la división o unión de varias moléculas celulares. Cada reacción se produce de forma escalonada que implica la conversión de una sustancia en otra.

Los diversos pasos implican la transformación de una sustancia precursora en su producto final, que en última instancia es un rasgo fenotípico estructural o funcional. Los diversos pasos constituyen una vía biosintética. Cada paso de la ruta es catalizado por una enzima específica, que a su vez es producida por un gen específico.

Sin embargo, el ADN no participa directamente en la ruta biosintética. Una molécula intermedia llamada ARNm está involucrada en el ensamblaje de aminoácidos para formar enzimas. Por lo tanto, para producir un rasgo fenotípico particular, el ADN transcribe el ARNm que se traduce en una proteína enzimática o estructural. La base para una relación funcional entre genes y enzimas se estableció en 1902 cuando Bateson informó de un raro defecto humano conocido como alcaptonuria, que se hereda como un rasgo recesivo.

Más tarde, en el año 1909, un médico inglés, Archibald Garrod conocido popularmente como el padre de la genética bioquímica publicó su trabajo en su libro & # 8216 Errores innatos del metabolismo & # 8217 sugiriendo una relación entre genes y reacciones químicas específicas. Pero su trabajo pasó desapercibido hasta que Beadle, Tatum y otros genetistas trabajaron en Neurospora para comprender mejor la acción de los genes. Descubrieron que el cambio mutacional de genes puede causar la pérdida de enzimas específicas. Este concepto fue ampliamente conocido como la & # 8216 hipótesis de un gen, una enzima & # 8217.

El concepto de & # 8216un gen una enzima & # 8217 una relación de efecto fenotípico está ejemplificado por Neurospora crassa. El tipo salvaje o protótrofo de Neurospora puede vivir en un medio simple que contiene sales inorgánicas, una fuente de carbono orgánico y vitamina biotina. Este medio simple se conoce como medio mínimo.

Por tanto, el hongo tiene una capacidad innata para sintetizar todas las demás vitaminas, aminoácidos y bases nitrogenadas necesarias para el desarrollo normal. Según Beadle y Tatum, un gen controla un rasgo estructural o funcional mediante el control de la síntesis de una enzima específica formada por este último.

Trataron los conidios de Neurospora a rayos X o rayos UV y obtuvieron varios mutantes llamados auxótrofos. Estos son mutantes nutricionales, que no pueden crecer en un medio normal o mínimo. Beadle y Tatum seleccionaron tres mutantes para su estudio.

una. Ornitina que requiere auxótrofos:

Estos son incapaces de sintetizar citrulina y arginina. Sin embargo, pudieron sintetizar arginina si se complementaban con ornitina.

B. Citrulina que requiere auxótrofos:

Estos sintetizan ornitina, pero no pueden producir arginina.

C. Arginina que requiere auxótrofos:

Estos podrían sintetizar tanto citrulina como ornitina. Estos crecerían normalmente si se complementaran con arginina.

La existencia de estos tres tipos de mutantes indica una secuencia de reacciones involucradas en la síntesis de arginina. El trabajo de Beadle y Tatum se ha resumido en la Fig.8.

Razonaron que las mutaciones causaban defectos en las enzimas. Una mutación produce solo una enzima defectuosa. Beadle y Tatum recibieron el Premio Nobel por su contribución en 1958.

Pero la hipótesis de "un gen, una enzima" tiene algunas limitaciones, que son las siguientes:

una. No todos los genes producen enzimas ni sus componentes. Algunos controlan otros genes.

B. Todas las proteínas no son enzimas. Muchas proteínas están formadas por subunidades llamadas polipéptidos, con cada polipéptido distinto bajo el control de un gen. Por ejemplo, la enzima triptófano sintetasa de la bacteria Escherichia coli consta de dos polipéptidos separados, A y B.

El polipéptido A es de tipo α mientras que el polipéptido B es de tipo β. Un cambio en cualquiera de los dos genes provoca la inactivación de la triptófano sintetasa a través de la no síntesis de los tipos A y B. La inactivación de la enzima detiene la síntesis de triptófano. De manera similar, la hemoglobina humana adulta consta de cuatro cadenas polipeptídicas, 2a y 2b.

Cada cadena polipeptídica está codificada por un gen separado. Por lo tanto, la hipótesis de un gen y una enzima se cambió a la hipótesis de & # 8216 un gen un polipéptido & # 8217. Según el cual, un gen estructural especifica la síntesis de un único polipéptido. Dado que el segmento de ADN que codifica un polipéptido se denomina Cistron, la hipótesis también se denomina hipótesis de un cistrón y un polipéptido.

En 1970, H M Temin y D Baltimore informaron de la existencia de una enzima & # 8216RNA dependiente de ADN polimerasa & # 8217 en ciertos virus que contienen ARN. Esta enzima podría sintetizar ADN a partir de una plantilla de ARN monocatenario. Este proceso también se conoce como transcripción inversa o teminismo. El ADN recién sintetizado luego sintetiza ARNm por transcripción que a su vez produce polipéptido por traducción.

Esta enzima dio lugar al concepto de & # 8216 central dogma inverso & # 8217 según el cual la secuencia de información no es necesariamente del ADN al ARN y a la proteína, sino que también puede tener lugar desde el ARN al ADN.


¿Cuál es la relación entre los cromosomas, el ADN y los genes?

Los cromosomas son estructuras dentro de un núcleo celular que están formadas por muchos genes. Los genes contienen ácido desoxirribonucleico (ADN), que contiene la información genética utilizada para sintetizar proteínas.

Los cromosomas son hebras largas dentro de una célula que pueden contener cientos o miles de genes. Los seres humanos tienen entre 20.000 y 30.000 genes. Cada célula humana tiene un par de 23 cromosomas, lo que produce un total de 46 cromosomas. Los genes ayudan a formar rasgos y más de un gen puede crear un determinado rasgo. Los genes a veces contienen anomalías genéticas o mutaciones adquiridas, que a su vez influyen en cómo se desarrollan los rasgos. Dentro de los genes, el ácido desoxirribonucleico (ADN) contiene cuatro componentes básicos, que son adenina, citosina, guanina y timina. El orden de estas bases da forma a las instrucciones del genoma.

Emparejamientos cromosómicos

A pesar de que los cromosomas tienen una gran cantidad de genes, esos genes están ordenados en una secuencia muy específica. Cada gen tiene un lugar especial dentro de un cromosoma, que se llama su locus. La mayoría de las células del cuerpo humano tienen 23 pares de cromosomas, con la excepción de unas pocas células como los glóbulos rojos, los óvulos y los espermatozoides. Cada par de cromosomas contiene información genética de una célula madre y una célula padre. De los 23 pares de cromosomas dentro de una célula, 22 son cromosomas no sexuales o cromosomas autosómicos. El último par de cromosomas contiene los cromosomas sexuales, que son X e Y. El emparejamiento de las células sexuales determina el género de la descendencia. Los hombres tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. El cromosoma X proviene de la madre y el cromosoma Y proviene del padre. Las hembras, por el contrario, tienen dos cromosomas X. Un cromosoma proviene de la madre y el otro del padre. Por lo general, los genes de los cromosomas no sexuales pueden expresarse por completo. De vez en cuando, sin embargo, surgen problemas en los que este no es el caso. Dependiendo de la anomalía, las personas pueden nacer o desarrollar problemas de desarrollo de leves a graves.

Anomalías cromosómicas

Las anomalías que surgen en los cromosomas pueden tomar varias formas diferentes. Las anomalías cromosómicas pueden surgir como resultado de un número anormal de cromosomas o cuando un área del cromosoma se desarrolla de manera anormal, como secciones que se eliminan accidentalmente o se colocan en un cromosoma diferente, lo que se denomina translocación. Tener una cantidad anormal de cromosomas puede generar complicaciones graves. Tener un cromosoma no sexual adicional o carecer de un cromosoma no sexual, por ejemplo, puede ser fatal para un feto. También puede causar problemas de desarrollo, como el síndrome de Down, que aparece en la genética como una persona que tiene tres copias del cromosoma 21. Grandes áreas del cromosoma que son anormales pueden deberse a un trastorno genético o una mutación adquirida. Un ejemplo de esta anomalía es la leucemia mielógena crónica, que surge cuando parte del cromosoma 9 se transloca al cromosoma 22.

Defectos genéticos

A veces, las personas tienen anomalías genéticas sin sufrir efectos nocivos. Los seres humanos tienen alrededor de 300 a 400 genes anormales, pero es menos probable que desarrollen problemas si una parte del cromosoma afectado aún es normal. Los trastornos surgen cuando un individuo tiene dos copias de los mismos genes anormales. La probabilidad de que un individuo desarrolle un trastorno es mayor en las personas cuyos padres tienen anomalías genéticas que en las personas cuyos padres no tienen ningún problema genético.


¿Cuál es el dogma central de la biología molecular?

El dogma central de la biología molecular describe el proceso por el cual la información de los genes fluye hacia las proteínas: ADN → ARN → proteína. El ADN contiene genes que codifican proteínas. El ARN es el intermediario entre el ADN y las proteínas. Transporta información en genes desde el núcleo hasta el citoplasma en eucariotas. Las proteínas son los determinantes de la estructura y la función de una célula en particular. Una proteína está compuesta por una secuencia de aminoácidos, que es la secuencia codificante de un gen. La expresión genética es el proceso de síntesis de proteínas según las instrucciones de los genes. Los dos pasos de la expresión génica son la transcripción y la traducción.

Figura 1: Dogma central de la biología molecular


Bienvenido

Este es el sitio web de "Orquestación del análisis de una sola celda con bioconductor", un libro que enseña a los usuarios algunos flujos de trabajo comunes para el análisis de datos de RNA-seq de una sola célula (scRNA-seq). Este libro le enseñará cómo utilizar herramientas de bioconductores de vanguardia para procesar, analizar, visualizar y explorar datos de scRNA-seq. Además, sirve como un complemento en línea para el manuscrito. "Orquestación del análisis unicelular con bioconductor".

Si bien aquí nos centramos en los datos de scRNA-seq, una tecnología más nueva que perfila los transcriptomas a nivel de una sola célula, muchas de las herramientas, convenciones y estrategias de análisis utilizadas a lo largo de este libro son ampliamente aplicables a otros tipos de ensayos. Al aprender la gramática de los flujos de trabajo de bioconductores, esperamos brindarle un punto de partida para la exploración de sus propios datos, ya sea scRNA-seq o de otro tipo.

Este libro está organizado en tres partes. En el Preámbulo, presentamos el libro y nos sumergimos en los recursos para aprender R y Bioconductor (tanto a nivel principiante como a nivel de desarrollador). La parte I termina con un tutorial para una infraestructura de datos clave, el SingleCellExperiment clase, que se utiliza en todo Bioconductor para análisis de células individuales y en la sección siguiente.

La segunda parte, Temas de enfoque, comienza con una descripción general del marco para el análisis de los datos de scRNA-seq, con inmersiones más profundas en temas específicos que se presentan en cada capítulo posterior.

La tercera parte, Flujos de trabajo, proporciona principalmente código que detalla el análisis de varios conjuntos de datos a lo largo del libro.

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Transcripción (básica)

La transcripción es el proceso mediante el cual la información del ADN se copia en ARN mensajero (ARNm) para la producción de proteínas. La transcripción comienza con un conjunto de factores que se ensamblan en la secuencia promotora del ADN (en rojo). Aquí, dos factores de transcripción ya están unidos al promotor. Llegan otras proteínas que llevan la enzima ARN polimerasa (en azul). Para iniciar la transcripción, estas proteínas ensambladas requieren contacto con proteínas activadoras que se unen a secuencias específicas de ADN conocidas como regiones potenciadoras. Una vez que se establece el contacto, la ARN polimerasa corre a lo largo del ADN para transcribir el gen.

Duración: 1 minuto, 52 segundos

Lo que está a punto de ver es el secreto más extraordinario del ADN y cómo un código simple se convierte en carne y hueso. Comienza con un conjunto de factores que se ensamblan al comienzo de un gen. Un gen es simplemente una longitud de instrucciones de ADN que se extienden hacia la izquierda. Los factores reunidos desencadenan la primera fase del proceso, leyendo la información que se necesitará para producir la proteína. Todo está listo para rodar: tres, dos, uno, ¡VAMOS! La molécula azul que corre a lo largo del ADN está leyendo el gen. Es abrir la cremallera de la doble hélice y copiar una de las dos hebras. La cadena amarilla que sale de la parte superior es una copia del mensaje genético y está hecha de un primo químico cercano del ADN llamado ARN. Los bloques de construcción para hacer que el ARN ingrese a través de un orificio de entrada. Se combinan con el ADN, letra por letra, para copiar las A, C, Ts y G del gen. La única diferencia es que en la copia de ARN, la letra T se reemplaza con un bloque de construcción estrechamente relacionado conocido como "U". Estás viendo este proceso, llamado transcripción, en tiempo real. Está sucediendo ahora mismo en casi todas las células de su cuerpo.

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Estructura y replicación del genoma del coronavirus

Además del coronavirus del SARS (tratado por separado en otra parte de este volumen), las secuencias del genoma completo de seis especies del género coronavirus de la familia de los coronavirus [virus de la bronquitis infecciosa aviar-cepa Beaudette (IBV-Beaudette), cepa ENT del coronavirus bovino ( BCoV-ENT), cepa del coronavirus humano-229E (HCoV-229E), cepa del virus de la hepatitis murina-A59 (MHV-A59), gastroenteritis transmisible porcina-cepa Purdue 115 (TGEV-Purdue 115) y cepa CV777 del virus de la diarrea epidémica porcina (PEDV-CV777)]. Sus longitudes oscilan entre 27.317 nt para HCoV-229E y 31.357 nt para el virus de la hepatitis murina-A59, lo que establece que el genoma del coronavirus es el más grande conocido entre los virus de ARN. La organización básica del genoma del coronavirus se comparte con otros miembros del orden Nidovirus (el género torovirus, también en la familia Coronaviridae, y miembros de la familia Arteriviridae) en que las proteínas no estructurales involucradas en el procesamiento proteolítico, la replicación del genoma y el ARNm subgenómico La síntesis (transcripción) (un estimado de 14-16 productos finales para los coronavirus) están codificados dentro de los dos tercios proximales 5 'del genoma en el gen 1 y las proteínas estructurales (en su mayoría) están codificadas dentro del tercio proximal 3' del genoma (8-9 genes para coronavirus). Los genes de las principales proteínas estructurales de todos los coronavirus se encuentran en el orden 5 'a 3' como S, E, M y N. La estrategia precisa que utilizan los coronavirus para la replicación del genoma aún no se conoce, pero se han establecido muchas características. Este capítulo se centra en algunas de las características conocidas y presenta algunas preguntas actuales sobre la estrategia de replicación del genoma, los elementos que actúan en cis necesarios para la replicación del genoma [como se infiere de las moléculas de ARN de interferencia (DI) defectuosas], los requisitos mínimos de secuencia para la replicación autónoma de un Replicón de ARN y la importancia del orden de los genes en la replicación del genoma.


La tecnología de ARNm nos dio las primeras vacunas COVID-19. También podría dar un vuelco a la industria farmacéutica

La había estado mirando a los ojos, como me había ordenado, pero cuando un médico de mi otro lado comenzó a pincharme con una aguja, comencé a girar la cabeza. & # 8220Don & # 8217t mirarlo, & # 8221 dijo el primer médico. Yo obedecí.

Esto fue a principios de agosto en Nueva Orleans, donde me inscribí para participar en el ensayo clínico de la vacuna Pfizer-BioNTech COVID-19. Fue un estudio ciego, lo que significaba que se suponía que no debía saber si había recibido el placebo o la vacuna real. Le pregunté al médico si realmente podría saberlo mirando la jeringa. & # 8220 Probablemente no & # 8221 respondió ella, & # 8220, pero queremos tener cuidado. Es muy importante hacerlo bien. & # 8221

Me convertí en conejillo de indias de vacunas porque, además de querer ser útil, tenía un profundo interés en los maravillosos nuevos roles que ahora desempeña el ARN, el material genético que está en el corazón de los nuevos tipos de vacunas, tratamientos contra el cáncer y genes. -herramientas de edición. Estaba escribiendo un libro sobre la bioquímica de Berkeley Jennifer Doudna. Fue pionera en determinar la estructura del ARN, lo que la ayudó a ella y a su asesor de doctorado a descubrir cómo podría ser el origen de toda la vida en este planeta. Luego, ella y un colega inventaron una herramienta de edición de genes guiada por ARN, que les valió el Premio Nobel de Química 2020.

La herramienta se basa en un sistema que utilizan las bacterias para combatir los virus. Las bacterias desarrollan secuencias repetidas agrupadas en su ADN, conocidas como CRISPR, que pueden recordar virus peligrosos y luego desplegar tijeras guiadas por ARN para destruirlos. En otras palabras, es un sistema inmunológico que puede adaptarse para luchar contra cada nueva ola de virus, justo lo que los humanos necesitamos. Ahora, con la vacuna Pfizer-BioNTech recientemente aprobada y una similar de Moderna que se está implementando lentamente en los EE. UU. Y Europa, el ARN se ha implementado para hacer un tipo completamente nuevo de vacuna que, cuando llegue a suficientes personas, cambiará el curso. de la pandemia.

Hasta el año pasado, las vacunas no habían cambiado mucho, al menos en concepto, durante más de dos siglos. La mayoría se basa en el descubrimiento realizado en 1796 por el médico inglés Edward Jenner, quien notó que muchas lecheras eran inmunes a la viruela. Todos habían sido infectados por una forma de viruela que afecta a las vacas pero que es relativamente inofensiva para los humanos, y Jenner supuso que la viruela vacuna les había dado inmunidad contra la viruela. Así que tomó un poco de pus de una ampolla de viruela vacuna, lo frotó en los rasguños que hizo en el brazo de su jardinero y el hijo de 8 años de edad y luego (esto fue en los días previos a los paneles de bioética) expuso al niño a la viruela. No se enfermó.

Antes de eso, las vacunas se realizaban dando a los pacientes una pequeña dosis del virus de la viruela real, con la esperanza de que tuvieran un caso leve y luego fueran inmunes. El gran avance de Jenner fue el uso de un virus relacionado pero relativamente inofensivo. Desde entonces, las vacunas se han basado en la idea de exponer al paciente a un facsímil seguro de un virus peligroso u otro germen. Esto está destinado a poner en marcha el sistema inmunológico adaptativo de la persona. Cuando funciona, el cuerpo produce anticuerpos que, a veces durante muchos años, evitarán cualquier infección si el germen real ataca.

Un enfoque consiste en inyectar una versión debilitada del virus de forma segura. Estos pueden ser buenos maestros, porque se parecen mucho a los reales. El cuerpo responde produciendo anticuerpos para combatirlos y la inmunidad puede durar toda la vida. Albert Sabin utilizó este enfoque para la vacuna oral contra la poliomielitis en la década de 1950, y esa es la forma en que ahora defendemos el sarampión, las paperas, la rubéola y la varicela.

Al mismo tiempo que Sabin intentaba desarrollar una vacuna basada en un virus de la polio debilitado, Jonas Salk tuvo éxito con un enfoque más seguro: utilizando un virus muerto o inactivado. Este tipo de vacuna todavía puede enseñar al sistema inmunológico de una persona cómo combatir el virus vivo, pero es menos probable que cause efectos secundarios graves. Dos empresas chinas, Sinopharm y Sinovac, han utilizado este enfoque para desarrollar vacunas para COVID-19 que ahora tienen un uso limitado en China, los Emiratos Árabes Unidos e Indonesia.

Otro enfoque tradicional consiste en inyectar una subunidad del virus, como una de las proteínas que se encuentran en la capa del virus. El sistema inmunológico los recordará, lo que permitirá al cuerpo montar una respuesta rápida y robusta cuando se encuentre con el virus real. La vacuna contra el virus de la hepatitis B, por ejemplo, funciona de esta manera. Usar solo un fragmento del virus significa que es más seguro inyectarlos en un paciente y más fáciles de producir, pero a menudo no son tan buenos para producir inmunidad a largo plazo. La biotecnología Novavax, con sede en Maryland, se encuentra en ensayos clínicos de última etapa para una vacuna COVID-19 que utiliza este enfoque, y es la base de una de las dos vacunas que ya se están implementando en Rusia.

El año de la plaga de 2020 será recordado como el momento en que estas vacunas tradicionales fueron suplantadas por algo fundamentalmente nuevo: las vacunas genéticas, que entregan un gen o un fragmento de código genético a las células humanas. Las instrucciones genéticas hacen que las células produzcan, por sí mismas, componentes seguros del virus objetivo para estimular el sistema inmunológico del paciente.

Para el SARS-CoV-2 & mdash, el virus que causa COVID-19 & mdash, el componente diana es su proteína de punta, que tachona la envoltura externa del virus y le permite infiltrarse en las células humanas. Un método para hacer esto es insertando el gen deseado, usando una técnica conocida como ADN recombinante, en un virus inofensivo que puede transportar el gen a las células humanas. Para hacer una vacuna COVID, se edita un gen que contiene instrucciones para construir parte de una proteína de pico de coronavirus en el ADN de un virus debilitado como un adenovirus, que puede causar el resfriado común. La idea es que el adenovirus rediseñado se abrirá paso en las células humanas, donde el nuevo gen hará que las células produzcan muchas de estas proteínas de pico. Como resultado, el sistema inmunológico de la persona estará preparado para responder rápidamente si el coronavirus real ataca.

Este enfoque condujo a una de las primeras candidatas a vacunas COVID, desarrollada en el acertadamente llamado Instituto Jenner de la Universidad de Oxford. Allí, los científicos modificaron el gen de la proteína de punta en un adenovirus que causa el resfriado común en los chimpancés, pero que es relativamente inofensivo en los humanos.

La investigadora principal de Oxford es Sarah Gilbert. Trabajó en el desarrollo de una vacuna para el síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS) utilizando el mismo adenovirus de chimpancé. Esa epidemia disminuyó antes de que se pudiera implementar su vacuna, pero le dio una ventaja cuando el COVID-19 golpeó. Ella ya sabía que el adenovirus del chimpancé había entregado con éxito a los humanos el gen de la proteína de pico de MERS. Tan pronto como los chinos publicaron la secuencia genética del nuevo coronavirus en enero de 2020, comenzó a diseñar su gen de proteína de punta en el virus del chimpancé, despertando todos los días a las 4 a.m.

Sus trillizos de 21 años, todos los cuales estaban estudiando bioquímica, se ofrecieron como voluntarios para ser los primeros evaluadores, recibir la vacuna y ver si desarrollaban los anticuerpos deseados. (Lo hicieron). Los ensayos en monos realizados en marzo en un centro de primates de Montana también arrojaron resultados prometedores.

Bill Gates, cuya fundación proporcionó gran parte de los fondos, impulsó a Oxford a asociarse con una importante empresa que podría probar, fabricar y distribuir la vacuna. Así que Oxford forjó una sociedad con AstraZeneca, la compañía farmacéutica sueco-británica. Desafortunadamente, los ensayos clínicos resultaron ser descuidados, con dosis incorrectas administradas a algunos participantes, lo que provocó retrasos. Gran Bretaña lo autorizó para uso de emergencia a fines de diciembre, y es probable que EE. UU. Lo haga en los próximos dos meses.

Johnson & amp Johnson está probando una vacuna similar que utiliza un adenovirus humano, en lugar de uno de chimpancé, como mecanismo de administración para transportar un gen que codifica para formar parte de la proteína de pico. Es un método que se ha mostrado prometedor en el pasado, pero podría tener la desventaja de que los humanos que ya han estado expuestos a ese adenovirus pueden tener cierta inmunidad. Los resultados de su ensayo clínico se esperan a finales de este mes.

Además, otras dos vacunas basadas en adenovirus modificados genéticamente se encuentran ahora en distribución limitada: una fabricada por CanSino Biologics y que se utiliza en el ejército en China y otra llamada Sputnik V del ministerio de salud de Rusia.

Hay otra forma de introducir material genético en una célula humana y hacer que produzca los componentes de un virus peligroso, como las proteínas de pico, que pueden estimular el sistema inmunológico. En lugar de transformar el gen del componente en un adenovirus, simplemente puede inyectar el código genético del componente en humanos como ADN o ARN.

Comencemos con las vacunas de ADN. Los investigadores de Inovio Pharmaceuticals y un puñado de otras compañías en 2020 crearon un pequeño círculo de ADN que codificaba partes de la proteína del pico del coronavirus. La idea era que si podía entrar en el núcleo de una célula, el ADN podría generar instrucciones de manera muy eficiente para la producción de las partes de la proteína de punta, que sirven para entrenar al sistema inmunológico para que reaccione a la realidad.

El gran desafío al que se enfrenta una vacuna de ADN es la entrega. ¿Cómo se puede introducir el pequeño anillo de ADN no solo en una célula humana sino en el núcleo de la célula? Inyectar una gran cantidad de la vacuna de ADN en el brazo de un paciente hará que parte del ADN ingrese en las células, pero no es muy eficiente.

Algunos de los desarrolladores de vacunas de ADN, incluido Inovio, intentaron facilitar la administración a las células humanas mediante un método llamado electroporación, que administra pulsos de descarga eléctrica al paciente en el lugar de la inyección. Eso abre los poros en las membranas celulares y permite que entre el ADN. Las pistolas de pulso eléctricas tienen muchas agujas diminutas y son desconcertantes de contemplar. No es difícil ver por qué esta técnica es impopular, especialmente entre quienes están en el extremo receptor. Hasta ahora, no se ha desarrollado ningún mecanismo de administración fácil y confiable para introducir vacunas de ADN en el núcleo de las células humanas.

Eso nos lleva a la molécula que ha resultado victoriosa en la carrera de la vacuna COVID y merece el título de la revista TIME & Molécula del año # 8217: ARN. Su ADN hermano es más famoso. Pero como muchos hermanos famosos, el ADN no hace mucho trabajo. Principalmente, permanece acomodado en el núcleo de nuestras células, protegiendo la información que codifica. El ARN, por otro lado, en realidad sale y hace las cosas. Los genes codificados por nuestro ADN se transcriben en fragmentos de ARN que salen del núcleo de nuestras células hacia la región de fabricación de proteínas. Allí, este ARN mensajero (ARNm) supervisa el ensamblaje de la proteína especificada. En otras palabras, en lugar de quedarse en casa curando información, crea productos reales.

Científicos como Sydney Brenner en Cambridge y James Watson en Harvard identificaron y aislaron por primera vez moléculas de ARNm en 1961. Pero fue difícil aprovecharlas para cumplir con nuestras órdenes, porque el sistema inmunológico del cuerpo a menudo destruía el ARNm que los investigadores diseñaron e intentaron introducir. en el cuerpo. Luego, en 2005, un par de investigadores de la Universidad de Pensilvania, Katalin Kariko y Drew Weissman, mostraron cómo modificar una molécula de ARNm sintético para que pudiera ingresar a las células humanas sin ser atacada por el sistema inmunológico del cuerpo.

Cuando la pandemia de COVID-19 golpeó hace un año, dos innovadoras empresas farmacéuticas jóvenes decidieron intentar aprovechar este papel que desempeña el ARN mensajero: la empresa alemana BioNTech, que formó una sociedad con la empresa estadounidense Pfizer and Moderna, con sede en Cambridge, Massachusetts. . Their mission was to engineer messenger RNA carrying the code letters to make part of the coronavirus spike protein&mdasha string that begins CCUCGGCGGGCA … &mdashand to deploy it in human cells.

BioNTech was founded in 2008 by the husband-and-wife team of Ugur Sahin and Ozlem Tureci, who met when they were training to be doctors in Germany in the early 1990s. Both were from Turkish immigrant families, and they shared a passion for medical research, so much so that they spent part of their wedding day working in the lab. They founded BioNTech with the goal of creating therapies that stimulate the immune system to fight cancerous cells. It also soon became a leader in devising medicines that use mRNA in vaccines against viruses.

In January 2020, Sahin read an article in the medical journal Lancet about a new coronavirus in China. After discussing it with his wife over breakfast, he sent an email to the other members of the BioNTech board saying that it was wrong to believe that this virus would come and go as easily as MERS and SARS. “This time it is different,” he told them.

BioNTech launched a crash project to devise a vaccine based on RNA sequences, which Sahin was able to write within days, that would cause human cells to make versions of the coronavirus’s spike protein. Once it looked promising, Sahin called Kathrin Jansen, the head of vaccine research and development at Pfizer. The two companies had been working together since 2018 to develop flu vaccines using mRNA technology, and he asked her whether Pfizer would want to enter a similar partnership for a COVID vaccine. “I was just about to call you and propose the same thing,” Jansen replied. The deal was signed in March.

By then, a similar mRNA vaccine was being developed by Moderna, a much smaller company with only 800 employees. Its chair and co-founder, Noubar Afeyan, a Beirut-born Armenian who immigrated to the U.S., had become fascinated by mRNA in 2010, when he heard a pitch from a group of Harvard and MIT researchers. Together they formed Moderna, which initially focused on using mRNA to try to develop personalized cancer treatments, but soon began experimenting with using the technique to make vaccines against viruses.

In January 2020, Afeyan took one of his daughters to a restaurant near his office in Cambridge to celebrate her birthday. In the middle of the meal, he got an urgent text message from the CEO of his company, Stéphane Bancel, in Switzerland. So he rushed outside in the freezing temperature, forgetting to grab his coat, to call him back.

Bancel said that he wanted to launch a project to use mRNA to attempt a vaccine against the new coronavirus. At that point, Moderna had more than 20 drugs in development but none had even reached the final stage of clinical trials. Nevertheless, Afeyan instantly authorized him to start work. “Don’t worry about the board,” he said. “Just get moving.” Lacking Pfizer’s resources, Moderna had to depend on funding from the U.S. government. Anthony Fauci, head of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases, was supportive. “Go for it,” he declared. “Whatever it costs, don’t worry about it.”

It took Bancel and his Moderna team only two days to create the RNA sequences that would produce the spike protein, and 41 days later, it shipped the first box of vials to the National Institutes of Health to begin early trials. Afeyan keeps a picture of that box on his cell phone.

An mRNA vaccine has certain advantages over a DNA vaccine, which has to use a re-engineered virus or other delivery mechanism to make it through the membrane that protects the nucleus of a cell. The RNA does not need to get into the nucleus. It simply needs to be delivered into the more-accessible outer region of cells, the cytoplasm, which is where proteins are constructed.

The Pfizer-BioNTech and Moderna vaccines do so by encapsulating the mRNA in tiny oily capsules, known as lipid nanoparticles. Moderna had been working for 10 years to improve its nanoparticles. This gave it one advantage over Pfizer-BioNTech: its particles were more stable and did not have to be stored at extremely low temperatures.

By November, the results of the Pfizer-BioNTech and Moderna late-stage trials came back with resounding findings: both vaccines were more than 90% effective. A few weeks later, with COVID-19 once again surging throughout much of the world, they received emergency authorization from the U.S. Food and Drug Administration and became the vanguard of the biotech effort to beat back the pandemic.

The ability to code messenger RNA to do our bidding will transform medicine. As with the COVID vaccines, we can instruct mRNA to cause our cells to make antigens&mdashmolecules that stimulate our immune system&mdashthat could protect us against many viruses, bacteria, or other pathogens that cause infectious disease. In addition, mRNA could in the future be used, as BioNTech and Moderna are pioneering, to fight cancer. Harnessing a process called immunotherapy, the mRNA can be coded to produce molecules that will cause the body’s immune system to identify and kill cancer cells.

RNA can also be engineered, as Jennifer Doudna and others discovered, to target genes for editing. Using the CRISPR system adapted from bacteria, RNA can guide scissors-like enzymes to specific sequences of DNA in order to eliminate or edit a gene. This technique has already been used in trials to cure sickle cell anemia. Now it is also being used in the war against COVID. Doudna and others have created RNA-guided enzymes that can directly detect SARS-CoV-2 and eventually could be used to destroy it.

More controversially, CRISPR could be used to create “designer babies” with inheritable genetic changes. In 2018, a young Chinese doctor used CRISPR to engineer twin girls so they did not have the receptor for the virus that causes AIDS. There was an immediate outburst of awe and then shock. The doctor was denounced, and there were calls for an international moratorium on inheritable gene edits. But in the wake of the pandemic, RNA-guided genetic editing to make our species less receptive to viruses may someday begin to seem more acceptable.

Throughout human history, we have been subjected to wave after wave of viral and bacterial plagues. One of the earliest known was the Babylon flu epidemic around 1200 B.C. The plague of Athens in 429 B.C. killed close to 100,000 people, the Antonine plague in the 2nd century killed 5 million, the plague of Justinian in the 6th century killed 50 million, and the Black Death of the 14th century took almost 200 million lives, close to half of Europe’s population.

The COVID-19 pandemic that killed more than 1.8 million people in 2020 will not be the final plague. However, thanks to the new RNA technology, our defenses against most future plagues are likely to be immensely faster and more effective. As new viruses come along, or as the current coronavirus mutates, researchers can quickly recode a vaccine’s mRNA to target the new threats. “It was a bad day for viruses,” Moderna’s chair Afeyan says about the Sunday when he got the first word of his company’s clinical trial results. “There was a sudden shift in the evolutionary balance between what human technology can do and what viruses can do. We may never have a pandemic again.”

The invention of easily reprogrammable RNA vaccines was a lightning-fast triumph of human ingenuity, but it was based on decades of curiosity-driven research into one of the most fundamental aspects of life on planet earth: how genes are transcribed into RNA that tell cells what proteins to assemble. Likewise, CRISPR gene-editing technology came from understanding the way that bacteria use snippets of RNA to guide enzymes to destroy viruses. Great inventions come from understanding basic science. Nature is beautiful that way.

Isaacson, a former editor of TIME, is the author of The Code Breaker: Jennifer Doudna, Gene Editing, and the Future of the Human Race, to be published in March. After the Pfizer vaccine was approved, he opted to remain in the clinical trial and has not yet been “unblinded.”


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