Nuevas pistas sobre el origen de la vida
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Foto: Gerald Prins

Nuevas pistas sobre el origen de la vida

Antes del código genético que conocemos hoy pudo existir otro más sencillo establecido entre aminoácidos y nucleótidos, los ‘ladrillos’ que acabarían conformando las proteínas y los ácidos nucleicos como el ARN y el ADN. Además, ciertas propiedades de los aminoácidos, como su tamaño y polaridad, influyeron en cómo el ARN de transferencia los ordenaba para crear complejas y plegadas proteínas. Así lo reflejan dos estudios de científicos de la Universidad de Carolina del Norte (EU) que avanzan en el desconocido paso desde las primeras biomoléculas hasta las células de la Tierra.
Foto: Gerald Prins
Por Agencia Sinc
2 de junio, 2015
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El origen de la vida sigue siendo uno de los grandes misterios de la ciencia. Según los expertos, en los comienzos de nuestro planeta existiría una ‘sopa primordial’ con sustancias químicas sencillas que producirían aminoácidos. Estos se convertían en las proteínas necesarias para crear las células que, a su vez, darían lugar a las plantas y los animales.

Pero ¿cómo se ensamblaron los ‘bloques’ de aminoácidos en las proteínas que formaron la maquinaría celular? De momento no hay respuesta, pero ahora, dos estudios de la Universidad de Carolina del Norte (UNC), publicados en la revista PNAS y liderados por los científicos Richard Wolfenden y Charles Carter, arrojan nueva luz sobre el nacimiento de la vida hace 4 mil millones de años.

“Nuestro trabajo demuestra que la estrecha vinculación entre las propiedades físicas de los aminoácidos, el código genético y el plegamiento de proteínas probablemente fue esencial desde el principio, mucho antes de que las moléculas complejas llegaran a escena”, señala Carter, profesor de Bioquímica y Biofísica en la Escuela de Medicina de la UNC. “Esta estrecha interacción probablemente fue el factor clave en la evolución desde los primeros ‘bloques de construcción’ biológicos hasta los organismos”.

Estos nuevos hallazgos van en contra de la cuestionada hipótesis del mundo ARN. Esta molécula hoy desempeña un papel en la codificación, regulación y expresión de los genes; pero, según esta hipótesis, en los comienzos de la vida se alzó del caldo primigenio de aminoácidos y de las sustancias cósmicas, para formar proteínas cortas llamadas péptidos (pequeños grupos de aminoácidos), y luego, los organismos unicelulares.

Wolfenden y Carter argumentan que el ARN no actuó solo; de hecho, consideran que es tan probable que este ácido ribonucleico catalizara la formación de péptidos como que fuera al revés: que fueran los péptidos los que catalizaran el ARN. Este planteamiento supone un nuevo capítulo en la historia de cómo la vida evolucionó hace millones de años.

LUCA, el primigenio antecesor

La comunidad científica piensa que hace 3.600 millones años existió un ancestro común universal, llamado LUCA, del que evolucionaron todos los seres que viven actualmente en la Tierra. Es probable que fuera un organismo de una sola célula con unos pocos cientos de genes, pero ya tenía el diseño completo para la replicación del ADN, la síntesis de proteínas y la transcripción del ARN: la base del código genético que conocemos hoy.

LUCA tenía todos los componentes básicos, como los glúcidos, lípidos y proteínas de los organismos modernos. Desde aquel organismo en adelante, es relativamente fácil ver cómo se ha desarrollado la vida.  Pero antes de esos 3.600 millones años, sin embargo, no hay pruebas contundentes acerca de cómo LUCA surgió de un ‘caldero hirviente’ con los productos químicos que se formaron en la Tierra después de su creación hace alrededor de 4.600 millones de años.

“Sabemos mucho sobre LUCA y estamos empezando a aprender acerca de la química que produce los bloques de construcción como los aminoácidos, pero entre los dos hay un desierto de conocimiento”, insiste Carter. “Ni siquiera hemos sabido explorarlo”, añade el experto, aunque sus investigaciones representan un avance en este ‘desierto’.

“Ahora el doctor Wolfenden ha establecido las propiedades físicas de los veinte aminoácidos esenciales, y hemos encontrado una relación entre esas propiedades y el código genético”, apunta Carter. “Ese vínculo nos sugiere que hubo un segundo y más temprano código que hizo posible las interacciones péptido-ARN necesarias para poner en marcha un proceso de selección que podemos imaginar en la creación de la primera vida en la Tierra”.

Por lo tanto, subraya Carter, el ARN no tuvo que surgir de la sopa primordial. En su lugar, incluso antes de que hubiera células, parece más probable que hubiera interacciones entre los aminoácidos y nucleótidos que llevaron a la ‘cocreación’ de proteínas y ARN.

La complejidad desde la simplicidad

Por otra parte, las proteínas deben plegarse de forma específica para funcionar correctamente. En el primer artículo de PNAS, dirigido por Wolfenden, muestra que los tamaños y polaridades (forma en que se distribuyen entre agua y aceite) de los aminoácidos pueden ayudar a explicar el complejo proceso de plegamiento de las proteínas. Este fenómeno implica que una cadena de aminoácidos conforma una estructura tridimensional particular, con una función biológica específica.

Nuestros experimentos muestran cómo las polaridades de aminoácidos cambian constantemente a través de una amplia gama de temperaturas en formas que no afectarían las relaciones básicas entre la codificación genética y el plegamiento de las proteínas”, dice Wolfenden.

Esto fue importante para establecer que cuando la vida se estaba formando en los inicios de la Tierra, las temperaturas en nuestro planeta seguramente eran calientes, probablemente mucho más caliente de lo que son ahora o cuando se establecieron las primeras plantas y animales.

“La traducción del código genético es el nexo que conecta la química prebiótica a la biología”, destacan los investigadores

Una serie de experimentos bioquímicos con aminoácidos realizados en el laboratorio de Wolfenden revelaron que esas dos propiedades –tamaño y polaridad– de los aminoácidos fueron necesarias para explicar su comportamiento dentro de las proteínas plegadas y su actividad a temperaturas altas como las de la Tierra hace 4.000 millones de años.

En cuanto al segundo artículo de PNAS, liderado por Carter, se centra en cómo las enzimas aminoacil–ARNt sintetasas reconocen al ácido ribonucleico de transferencia (ARNt). Esas enzimas traducen el código genético. “Piense en el ARNt como un adaptador”, compara el investigador. “Un extremo del adaptador lleva un aminoácido particular; el otro lee el mapa genético para ese aminoácido en el ARN mensajero. Cada sintetasa empareja a cada uno de los veinte aminoácidos con su propio adaptador de modo que el mapa genético en el ARN mensajero fabrique fielmente la proteína correcta cada vez”.

El análisis de Carter muestra que los dos extremos diferentes de la molécula de ARNt en forma de L contenían códigos o reglas independientes que especifican qué aminoácido hay que seleccionar. El extremo del ARNt que llevó el aminoácido colocó cada aminoácido según su tamaño. Por su parte, el otro extremo de la molécula de ARNt en forma de L se llama el ‘anticodon’, y lee ‘codones’ (secuencias de tres nucleótidos de ARN en mensajes genéticos que seleccionan aminoácidos según su polaridad).

Los hallazgos de Wolfenden y Carter implican que las relaciones entre los ARNt y las dos propiedades físicas de los aminoácidos fueron cruciales durante la era primordial de la Tierra. A la luz de los trabajos previos de Carter, con muy pequeños núcleos activos de ARNt sintetasas llamados ‘urzymas’, ahora parece probable que la selección por tamaño precedió a la selección de acuerdo a su polaridad.

Resolver dos paradojas

Esta selección ordenada significó que las primeras proteínas no se plegaron necesariamente en formas únicas, y que sus estructuras originales evolucionaron más tarde. Carter destaca: “La traducción del código genético es el nexo que conecta la química prebiótica a la biología”. Los autores creen que la etapa intermedia de la codificación genética puede ayudar a resolver dos paradojas: cómo surgió la complejidad de la simplicidad, y cómo la vida dividió el trabajo entre dos tipos muy diferentes de polímeros (proteínas y ácidos nucleicos).

“El hecho de que la codificacion genética se desarrollara en dos etapas sucesivas (la primera muy simple) puede ser una de las razones de por qué la vida pudo surgir mientras que la tierra era todavía muy joven”, señala Wolfenden.

Un código mas temprano, que permitiera a los primeros péptidos codificados ligarse al ARN, puede haber proporcionado una ventaja selectiva decisiva, según los autores. Y este sistema primitivo podría entonces someterse a un proceso de selección natural, lanzando así una forma nueva y más biológica de evolución.

“La colaboración entre el ARN y los péptidos probablemente fue necesaria para que surgiera de forma espontánea la complejidad”, añade Carter, que concluye: “En nuestra opinión, fue un mundo péptido-ARN, no solo un mundo ARN”.

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Cómo la pandemia de COVID puede llevar a una revolución de las vacunas

Una tecnología prometedora en desarrollo desde hace 30 años utiliza la ingeniería genética para crear vacunas que son más baratas y fáciles de producir a gran escala.
25 de septiembre, 2020
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La enfermedad covid-19 está cambiando radicalmente muchas cosas, una de ellas puede ser cómo funcionan las vacunas.

La pandemia se ha convertido en una oportunidad para probar una nueva tecnología que se viene desarrollando desde hace 30 años.

Algunos científicos están usando la ingeniería genética para hacer que nuestras células produzcan una parte de un virus y así enseñarle a nuestro sistema inmunológico a protegernos de él.

Esto permitiría crear vacunas de forma mucho más rápida. Incluso pueden ser más simples de fabricar y más seguras de usar. Probablemente también sean más baratas.

Solo tenemos que probar que las vacunas genéticas, como se conocen, realmente nos protegen.

¿Oportunidad?

Nunca se hizo. Hasta la fecha, no existe tal vacuna aprobada para su uso en humanos.

Pero dos de las ocho vacunas contra la covid-19 que están en una etapa más avanzada de la investigación utilizan esta tecnología.

Una la fabrican las empresas Pfizer (Estados Unidos), BioNTech (Alemania) y Fosun (China). La otra está siendo desarrollada por la empresa estadounidense Moderna.

Ambas llegaron a la tercera y última fase de pruebas en humanos y se están aplicando a miles de personas para ver si son efectivas.

Las perspectivas son prometedoras, dice Norbert Pardi, profesor e investigador de la Universidad de Pensilvania en Estados Unidos.

Los estudios realizados hasta ahora apuntan a que estas vacunas generan una buena respuesta de nuestro sistema inmunológico y que son seguras.

“Aún necesitamos ver los resultados de la última fase, pero soy optimista. Creo que una o más de ellas serán aprobadas. Esto tiene el potencial de revolucionar el campo de las vacunas para enfermedades infecciosas”, opina Pardi.

Cómo funcionan las vacunas

La mayoría de las vacunas que utilizamos suponen la inyección de un virus o una bacteria en nuestro cuerpo para que el sistema inmunológico pueda identificar la amenaza y crear formas de defendernos.

En el caso de los virus, estos pueden estar debilitados (su capacidad para enfermarnos se ha reducido a niveles seguros) o inactivados (no pueden reproducirse).

Hombre delante de un mural con un dibujo de mujer con máscara.

Getty Images
Más de 32 millones de personas fueron contagiadas con el nuevo coronavirus en todo el mundo.

Existen también las denominadas vacunas de subunidades, en las que solo fragmentos característicos de un virus, como una proteína, por ejemplo, se producen en el laboratorio y se purifican para su uso en la vacuna.

La propuesta de las vacunas genéticas es diferente. En lugar de inyectarnos un virus o parte de él, la idea es hacer que nuestro propio cuerpo produzca la proteína del virus.

Para ello, los científicos identifican la parte del código genético viral que contiene las instrucciones para elaborar esta proteína y nos la inyectan.

Una vez absorbida por nuestras células, funciona como un manual de instrucciones para la producción de la proteína viral.

La célula produce esta proteína y la exhibe en su superficie o la libera en el torrente sanguíneo, lo que alerta al sistema inmunológico.

Las ventajas de las vacunas genéticas

La inmunóloga Cristina Bonorino explica que, en el caso de vacunas atenuadas o inactivadas, es necesario cultivar una gran cantidad de virus para utilizarlo como materia prima.

Las vacunas genéticas no necesitan esto.

Simplemente basta con crear en el laboratorio la secuencia genética deseada.

Esto requiere una estructura de producción mucho más reducida.

“El costo probablemente también sea menor”, dice Bonorino, quien es profesora de la Universidad Federal de Ciencias de la Salud en Porto Alegre y miembro del comité científico de la Sociedad Brasileña de Inmunología.

Márjori Dulcine, directora médica de Pfizer Brasil, empresa que fabrica una de las vacunas genéticas, explica que, además de que este tipo de vacuna se produce más rápidamente a gran escala, también es flexible.

“Sabemos que el SARS-Cov-2 tiene una gran capacidad para mutar. Entonces, si eso sucede, podemos adaptarnos rápidamente”, asegura Dulcine.

Las vacunas genéticas también eliminan el riesgo de que una persona se enferme cuando se vacuna, lo que puede ocurrir cuando se utilizan vacunas con virus atenuados.

Los virus en ese estado se han manipulado para ser menos peligrosos, pero aun así pueden reproducirse lentamente.

Esto da suficiente tiempo al sistema inmunológico de una persona sana para que reaccione y, en el proceso, aprenda a combatir esa amenaza.

Pero, en casos más raros, si el paciente está inmunodeprimido, puede perder esta carrera contra el virus y enfermar.

“Con este tipo de vacuna no pasa eso, porque no usa un microorganismo vivo. Es completamente sintética“, dice Norbert Pardi, de la Universidad de Pensilvania.

El tiempo necesario para desarrollar una vacuna también se reduce drásticamente. Por lo general, lleva meses tener una vacuna lista para las primeras pruebas. Con las vacunas genéticas se tarda solo semanas.

Protesta antivacuna.

Reuters
Una parte de la población está en contra de las vacunas obligatorias.

“Moderna tardó 42 días desde el momento en que recibió la secuencia genética del virus para comenzar los estudios de la vacuna contra la covid-19. Esto es casi imposible con otras tecnologías”, afirma Pardi.

El científico también dice que las pruebas han demostrado hasta ahora que las vacunas genéticas contra la covid-19 han generado una reacción del sistema inmunológico al menos tan buena como la de las otras candidatas.

“Por lo tanto, no solo son más seguras y relativamente baratas de producir, sino que también son muy efectivas. Esto es muy importante”, analiza.

Vacunas de ADN vs vacunas de ARN

Pero si estas vacunas tienen tantas ventajas, ¿por qué todavía no hay ninguna aprobada para su uso en humanos? Una razón es que la tecnología es reciente.

La primera vacuna de la historia fue creada por el médico británico Edward Jenner hace poco más de 220 años, a principios de los siglos XVIII y XIX, para prevenir la viruela.

En contraste, las vacunas genéticas han estado en desarrollo durante poco más de tres décadas, y solo más recientemente han comenzado a dar resultados más alentadores.

En un principio se creía que sería mejor hacer este tipo de vacuna utilizando ADN, la molécula que contiene toda la información genética de un organismo y que nuestras células utilizan para fabricar las proteínas que componen nuestro cuerpo.

Pero para que esto suceda, el ADN primero debe transformarse en moléculas de ARN, que trasladan esa información a la parte de la célula donde se producen las proteínas.

Los científicos creían que al inyectarnos el ADN del virus, nuestras células podrían absorberlo y, una vez dentro de ellas, transformarlo en ARN para que luego se pudiera producir la proteína en ese microorganismo, lo que iniciaría la reacción inmune.

Pero las pruebas realizadas hasta ahora mostraron que las vacunas de ADN no producen una respuesta inmune lo suficientemente fuerte en humanos.

“No sabemos exactamente por qué”, dice Pardi.

Otra alternativa es usar ARN directamente. El problema es que esta molécula es capaz de generarnos una inflamación muy fuerte que nos puede matar.

También es mucho más inestable que el ADN y se descompone fácilmente en nuestro cuerpo.

“Tenemos en nosotros, en todas partes, enzimas que atacan al ARN. Si se inyecta sin estar protegido, se destruye rápidamente”, describe Jorge Kalil, director del Laboratorio de Inmunología del Instituto del Corazón (Incor).

Pero en los últimos 15 años, los científicos encontraron una forma de envolver esta molécula para evitar que se descomponga y llegue a la célula. También lograron reducir el potencial inflamatorio del ARN.

“La expectativa es que, en algún momento a partir de ahora, cuando dominemos esta tecnología, muchas vacunas en el futuro serán de este tipo“, asegura Kalil.

¿Cómo son las vacunas contra la covid-19?

La pandemia ha creado algunas condiciones que probablemente acelerarán este proceso.

Covid-19 es una enfermedad nueva, muy contagiosa y mortal, para la que aún no existe una vacuna. Crear una es urgente.

Hacerlo suele costar decenas o cientos de millones de dólares, pero ahora los gobiernos y las organizaciones están invirtiendo mucho dinero.

Y cuando una vacuna esté lista, los países de todo el mundo estarán interesados en comprarla.

Frascos de vacuna covid-19.

Reuters
Se están desarrollando más de 170 pruebas de vacunas de covid-19

“La mayor dificultad para hacer una vacuna es el dinero, porque la técnica es relativamente sencilla”, dice la inmunóloga Cristina Bonorino.

“Ya existen vacunas de ARN patentadas, pero no se han comercializado. La pregunta es: ¿tiene mercado? Ahora hay mercado y una necesidad insatisfecha”, describe.

Según la Organización Mundial de la Salud, hay 40 vacunas genéticas entre las 187 que se están desarrollando contra la covid-19. Diez ya se están probando en humanos y las dos mencionadas anteriormente se encuentran en la última etapa de esta parte de la investigación.

El estudio de la vacuna de Moderna involucra a 30.000 participantes en Estados Unidos.

La investigación de Pfizer/BioNTech/Fosun también cuenta con 30.000 voluntarios en EE.UU. y otros países, incluido Brasil.

En ambos casos, las empresas ya estaban desarrollando vacunas de ARN para combatir otros virus.

En el caso de Moderna, se trataba del Nipah, un virus que transmiten los murciélagos y puede causar problemas respiratorios e inflamación en el cerebro potencialmente mortales.

Pfizer y BioNTech estaban creando una vacuna de ARN contra la influenza, que causa la gripe.

https://www.youtube.com/watch?v=sVc_VPSn_FI

El objetivo es hacer que nuestras células produzcan la proteína del coronavirus conocida como espícula, que tiene una gran capacidad para generar una respuesta del sistema inmunológico.

“Creo que estas vacunas tienen potencial. Los resultados publicados muestran que inducen la producción de una gran cantidad de anticuerpos que neutralizan el virus. La prueba final será ver si esta protección es duradera”, dice el inmunólogo Jorge Kalil.

El estudio de Pfizer durará dos años, pero la compañía espera tener los primeros resultados para presentarlos a las agencias reguladoras a fines de octubre y principios de noviembre.

El momento nos obliga a actuar con rapidez, seguridad y calidad. Nuestro papel es presentar datos robustos a las autoridades”, afirma Márjori Dulcine.

“Ellos son los que nos dirán si son suficientes”, concluye.


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