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Perché e come la sintesi del DNA è molto più veloce della sintesi dell'RNA nei batteri?

Perché e come la sintesi del DNA è molto più veloce della sintesi dell'RNA nei batteri?



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DNA sintesi in E. coli è 20 volte più veloce di RNA sintesi a 1000 nt/s contro 50 nt/s. (Mirkin'05)

Trovo che perplessi poiché la polimerizzazione del DNA è migliore correzione di bozze rispetto alla varietà RNA, che richiede più tempo in quanto è necessario tornare indietro, asportare e sostituire. Inoltre, nei batteri c'è quasi nessuna giunzione, in modo che non ti rallenti. E il 1000nt/s è una forcella a replica singola. Non stiamo parlando diversi replisomi insieme clock 1knt al secondo.

C'è una spiegazione a ciò o, in assenza di prove, ipotesi?


Non le chiamerei ipotesi, ma la domanda è intrigante e, dato che in letteratura sembra ignorata, darò un paio di suggerimenti.

  1. Forse ha qualcosa a che fare con il riconoscimento dei segnali di terminazione in relazione alla pressione selettiva per la velocità nei due processi.

Forse se l'allungamento della catena dell'RNA fosse più veloce, non sarebbe in grado di rispondere ai segnali di terminazione rho-indipendenti che si pensa siano specifici anse staminali nel DNA che fanno sì che l'RNA polimerasi si fermi e cada dal DNA. L'accelerazione della RNA polimerasi potrebbe invece interrompere i loop. Il sistema di terminazione per la replicazione del DNA Maggio si sono evoluti per essere molto più robusti in modo da poter arrestare un allungamento più rapido. (Nota: il mio suggerimento di una diversa "robustezza" nella terminazione non si basa su alcun dato, è pura speculazione.)

Se questo fosse vero, si porrebbe la domanda sul perché la trascrizione non abbia evoluto un sistema di terminazione più efficiente di concerto con l'evoluzione di una RNA polimerasi più intelligente. Forse la risposta qui è che non esiste una pressione selettiva per una trascrizione più rapida - il tasso è chiaramente sufficiente a soddisfare i bisogni della cellula - mentre il tasso di replicazione del DNA determina il tempo tra le divisioni cellulari e quindi il tasso di crescita, che è soggetto alla pressione selettiva.

  1. Forse ha qualcosa a che fare con la frequenza degli errori in relazione alla pressione selettiva per la velocità nei due processi.

Per prima cosa chiarirò che penso che l'argomento della correzione di bozze nella domanda sia un po' una falsa pista. Se la velocità di replica è 20 volte più veloce della trascrizione, il backtracking occasionale non avrà molto effetto sulla differenza complessiva. Tuttavia errori e correzione di bozze potrebbero essere coinvolti in una spiegazione diversa.

La trascrizione dell'RNA non ha correzione di bozze. La lunghezza delle trascrizioni dell'RNA è tale che la cellula può tollerare gli errori che si verificano. Tuttavia, se la velocità di trascrizione fosse aumentata, è ragionevole aspettarsi un aumento della frequenza degli errori, che potrebbe essere dannoso. L'attuale tasso di trascrizione può essere un compromesso tra efficienza e accuratezza. Naturalmente si può immaginare che un sistema di correzione di bozze per la trascrizione si evolva se fosse necessario, ma, come discusso sopra, se la velocità di trascrizione è adeguata non sembrerebbe esserci alcuna pressione selettiva da produrre.


Ciò è dovuto al fatto che la DNA polimerasi esegue il processo veloce che è 1000 nu/sec rispetto alla RNA polimerasi che 1000-2000 nu/min perché questo processo viene eseguito senza discriminazione e anche la DNA pol ha attività esonucleasica


Perché e come la sintesi del DNA è molto più veloce della sintesi dell'RNA nei batteri? - Biologia

Acidi nucleici sono le macromolecole più importanti per la continuità della vita. Portano il progetto genetico di una cellula e portano le istruzioni per il funzionamento della cellula.

I due principali tipi di acidi nucleici sono acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA). Il DNA è il materiale genetico presente in tutti gli organismi viventi, dai batteri unicellulari ai mammiferi multicellulari. Si trova nel nucleo degli eucarioti e negli organelli, nei cloroplasti e nei mitocondri. Nei procarioti, il DNA non è racchiuso in un involucro membranoso.

L'intero contenuto genetico di una cellula è noto come genoma e lo studio dei genomi è genomica. Nelle cellule eucariotiche ma non nei procarioti, il DNA forma un complesso con le proteine ​​istoniche per formare la cromatina, la sostanza dei cromosomi eucariotici. Un cromosoma può contenere decine di migliaia di geni. Molti geni contengono le informazioni per produrre prodotti proteici, altri geni codificano per prodotti di RNA. Il DNA controlla tutte le attività cellulari attivando i geni “on” o “off.”

L'altro tipo di acido nucleico, l'RNA, è principalmente coinvolto nella sintesi proteica. Le molecole di DNA non lasciano mai il nucleo ma utilizzano invece un intermediario per comunicare con il resto della cellula. Questo intermediario è il RNA messaggero (mRNA). Altri tipi di RNA, come rRNA, tRNA e microRNA, sono coinvolti nella sintesi proteica e nella sua regolazione.

DNA e RNA sono costituiti da monomeri noti come nucleotidi. I nucleotidi si combinano tra loro per formare un polinucleotide, DNA o RNA. Ogni nucleotide è costituito da tre componenti: una base azotata, uno zucchero pentoso (a cinque atomi di carbonio) e un gruppo fosfato (Figura 1). Ogni base azotata in un nucleotide è attaccata a una molecola di zucchero, che è attaccata a uno o più gruppi fosfato.

Figura 1. Un nucleotide è costituito da tre componenti: una base azotata, uno zucchero pentoso e uno o più gruppi fosfato. I residui di carbonio nel pentoso sono numerati da 1′ a 5′ (il numero primo distingue questi residui da quelli nella base, che sono numerati senza utilizzare una notazione di primo). La base è attaccata alla posizione 1' del ribosio e il fosfato è attaccato alla posizione 5'. Quando si forma un polinucleotide, il fosfato 5' del nucleotide in entrata si attacca al gruppo idrossile 3' all'estremità della catena in crescita. Nei nucleotidi si trovano due tipi di pentosio, il desossiribosio (che si trova nel DNA) e il ribosio (che si trova nell'RNA). Il desossiribosio è simile nella struttura al ribosio, ma ha un H invece di un OH nella posizione 2'. Le basi possono essere divise in due categorie: purine e pirimidine. Le purine hanno una struttura a doppio anello e le pirimidine hanno un singolo anello.

Le basi azotate, componenti importanti dei nucleotidi, sono molecole organiche e sono così chiamate perché contengono carbonio e azoto. Sono basi perché contengono un gruppo amminico che ha il potenziale di legare un idrogeno in più e, quindi, diminuisce la concentrazione di ioni idrogeno nel suo ambiente, rendendolo più basico. Ogni nucleotide nel DNA contiene una delle quattro possibili basi azotate: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). I nucleotidi di RNA contengono anche una delle quattro possibili basi: adenina, guanina, citosina e uracile (U) anziché timina.

L'adenina e la guanina sono classificate come purine. La struttura primaria di una purina è costituita da due anelli carbonio-azoto. Citosina, timina e uracile sono classificati come pirimidine che hanno come struttura primaria un singolo anello carbonio-azoto (Figura 1). Ciascuno di questi anelli di base carbonio-azoto ha diversi gruppi funzionali ad esso collegati. Nella stenografia della biologia molecolare, le basi azotate sono semplicemente conosciute con i loro simboli A, T, G, C e U. Il DNA contiene A, T, G e C mentre l'RNA contiene A, U, G e C.

Lo zucchero pentoso nel DNA è il desossiribosio e nell'RNA lo zucchero è il ribosio (Figura 1). La differenza tra gli zuccheri è la presenza del gruppo ossidrile sul secondo carbonio del ribosio e dell'idrogeno sul secondo carbonio del desossiribosio. Gli atomi di carbonio della molecola dello zucchero sono numerati come 1′, 2′, 3′, 4′ e 5′ (1′ viene letto come “one primo”). Il residuo fosfato è attaccato al gruppo ossidrile del carbonio 5' di uno zucchero e al gruppo ossidrile del carbonio 3' dello zucchero del successivo nucleotide, che forma un 5'-3' fosfodiestere collegamento. Il legame fosfodiestere non si forma per semplice reazione di disidratazione come gli altri legami che collegano i monomeri nelle macromolecole: la sua formazione comporta la rimozione di due gruppi fosfato. Un polinucleotide può avere migliaia di tali legami fosfodiestere.

Struttura a doppia elica del DNA

Figura 2. Il DNA è una doppia elica antiparallela. La spina dorsale del fosfato (le linee curve) è all'esterno e le basi sono all'interno. Ogni base interagisce con una base del filo opposto. (credito: Jerome Walker/Dennis Myts)

Il DNA ha una struttura a doppia elica (Figura 2). Lo zucchero e il fosfato si trovano all'esterno dell'elica, formando la spina dorsale del DNA. Le basi azotate sono impilate all'interno, come i gradini di una scala, a coppie le coppie sono legate tra loro da legami idrogeno. Ogni coppia di basi nella doppia elica è separata dalla successiva coppia di basi di 0,34 nm.

I due fili dell'elica corrono in direzioni opposte, il che significa che l'estremità in carbonio 5' di un filo si troverà di fronte all'estremità in carbonio 3' del suo filo corrispondente. (Questo è indicato come orientamento antiparallelo ed è importante per la replicazione del DNA e in molte interazioni degli acidi nucleici.)

Sono consentiti solo alcuni tipi di abbinamento di basi. Ad esempio, una certa purina può accoppiarsi solo con una certa pirimidina. Ciò significa che A può accoppiarsi con T e G può accoppiarsi con C, come mostrato nella Figura 3. Questa è nota come regola complementare di base. In altre parole, i filamenti di DNA sono complementari tra loro. Se la sequenza di un filamento è AATTGGCC, il filamento complementare avrà la sequenza TTAACCGG. Durante la replicazione del DNA, ogni filamento viene copiato, risultando in una doppia elica di DNA figlia contenente un filamento di DNA parentale e un filamento di nuova sintesi.

Domanda pratica

Figura 3. In una molecola di DNA a doppio filamento, i due filamenti corrono in modo antiparallelo l'uno rispetto all'altro in modo che un filamento vada da 5' a 3' e l'altro da 3' a 5'. La spina dorsale del fosfato si trova all'esterno e le basi sono nel mezzo. L'adenina forma legami idrogeno (o coppie di basi) con la timina e le coppie di basi guanina con la citosina.

Si verifica una mutazione e la citosina viene sostituita con adenina. Quale impatto pensi che questo avrà sulla struttura del DNA?

L'acido ribonucleico, o RNA, è principalmente coinvolto nel processo di sintesi proteica sotto la direzione del DNA. L'RNA è solitamente a filamento singolo ed è costituito da ribonucleotidi collegati da legami fosfodiestere. Un ribonucleotide nella catena dell'RNA contiene ribosio (lo zucchero pentoso), una delle quattro basi azotate (A, U, G e C) e il gruppo fosfato.

Esistono quattro tipi principali di RNA: RNA messaggero (mRNA), RNA ribosomiale (rRNA), RNA di trasferimento (tRNA) e microRNA (miRNA). Il primo, l'mRNA, porta il messaggio dal DNA, che controlla tutte le attività cellulari in una cellula. Se una cellula richiede la sintesi di una determinata proteina, il gene per questo prodotto viene attivato “on” e l'RNA messaggero viene sintetizzato nel nucleo. La sequenza di basi dell'RNA è complementare alla sequenza codificante del DNA da cui è stata copiata. Tuttavia, nell'RNA, la base T è assente ed è invece presente U. Se il filamento di DNA ha una sequenza AATTGCGC, la sequenza dell'RNA complementare è UUAACGCG. Nel citoplasma, l'mRNA interagisce con i ribosomi e altri macchinari cellulari (Figura 4).

Figura 4. Un ribosoma ha due parti: una subunità grande e una subunità piccola. L'mRNA si trova tra le due subunità. Una molecola di tRNA riconosce un codone sull'mRNA, si lega ad esso mediante l'appaiamento di basi complementari e aggiunge l'amminoacido corretto alla catena peptidica in crescita.

L'mRNA viene letto in gruppi di tre basi note come codoni. Ogni codone codifica per un singolo amminoacido. In questo modo, viene letto l'mRNA e viene prodotto il prodotto proteico. L'RNA ribosomiale (rRNA) è un costituente principale dei ribosomi su cui si lega l'mRNA. L'rRNA assicura il corretto allineamento dell'mRNA e dei ribosomi l'rRNA del ribosoma ha anche un'attività enzimatica (peptidil transferasi) e catalizza la formazione dei legami peptidici tra due amminoacidi allineati. Transfer RNA (tRNA) è uno dei più piccoli dei quattro tipi di RNA, solitamente lungo 70-90 nucleotidi. Trasporta l'amminoacido corretto al sito di sintesi proteica. È l'accoppiamento di basi tra il tRNA e l'mRNA che consente l'inserimento dell'amminoacido corretto nella catena polipeptidica. i microRNA sono le molecole di RNA più piccole e il loro ruolo coinvolge la regolazione dell'espressione genica interferendo con l'espressione di alcuni messaggi di mRNA.


Che cos'è la terapia dell'RNA?

Si basano su una nuova tecnologia di mRNA di RNA messaggero incapsulato in lipidi. Un vaccino a DNA o RNA ha lo stesso obiettivo dei vaccini tradizionali ma funzionano in modo leggermente diverso.

Terapie del piccolo RNA per la fibrosi cistica Articoli scientifici di scienza secondaria della fibrosi cistica

RNA e DNA sono talvolta usati come medicine.

Cos'è la terapia rna. Correggendo l'errore, l'RNA può quindi essere utilizzato per creare la proteina di cui la cellula ha bisogno eliminando la causa alla base della malattia. E se è solo un trattamento che non previene né l'infezione né la trasmissione, in realtà non è migliore di nessuno degli altri trattamenti in circolazione come IvermectionZincVit DHCQVit C HBOTozone ecc. Quello che fa è questa terapia genica o dispositivo medico è la creazione di una malattia autoimmune cronicamente.

In altre parole è un trattamento, un trattamento genetico che non è mai stato usato prima nell'uomo. Le terapie a RNA che prendono di mira le proteine ​​utilizzano un tipo di molecola nota come aptamero di RNA. Le persone prendono RNA e DNA per condizioni come prestazioni atletiche problemi di stomaco e intestino problemi del sistema immunitario invecchiamento e.

La sua anafilassi nella prima ondata. A differenza della terapia genica che fornisce nuovo DNA alle cellule, la terapia con RNA modifica o fornisce acido ribonucleico RNA alle cellule dei pazienti. Un vaccino a base di RNA agisce quindi come un codice per istruire l'organismo a produrre molte copie della proteina virale e degli anticorpi risultanti, che determinano una risposta immunitaria.

La valutazione dell'efficacia dei vaccini esula dallo scopo di questo rapporto. Lo scopo di questo Evidence Advisory è identificare e riassumere prove di alto livello sulla sicurezza dei vaccini mRNA. Tali tecnologie renderebbero la terapia genica molto meno difficile Spesso gli antivaxxer confondono l'RNA con il DNA e viceversa non rendendosi conto che sebbene entrambe le molecole contengano l'informazione genetica necessaria a una cellula per produrre proteine, sono comunque molto importanti.

Invece di iniettare una forma indebolita di virus o batteri nel corpo, i vaccini a DNA e RNA utilizzano parte dei geni propri del virus per stimolare una risposta immunitaria. A differenza dei vaccini più tradizionali, anche i vaccini a base di RNA sono utili. Come funziona la terapia dell'RNA Perché concentrarsi sulle terapie dell'RNA.

La molecola è progettata per legarsi a un sito specifico su una proteina specifica per modulare la sua funzione. Le terapie di interferenza dell'RNA si basano su un processo naturale mediante il quale le sequenze di RNA possono bloccare l'espressione del DNA in proteine. Un articolo intitolato La modifica dell'RNA m6A come nuovo attore nella regolazione del ciclo R dal gruppo di ricerca Dynamic Gene Regulation guidato da Arne Klungland all'IMB è stato pubblicato in.

Nonostante la schiacciante popolarità delle tecnologie di modifica genetica come CRISPR, i nuovi progressi nella terapia dell'RNA sono pronti ad affrontare alcuni dei loro gravi limiti. Sta diventando sempre più chiaro che i profili di RNA unici all'interno dei singoli tumori possono svolgere un ruolo importante nella definizione sia della biologia del cancro che della sua risposta alla terapia, afferma Maurie Markman MD President of Medicine Science per i Cancer Treatment Centers of America CTCA. Vaccini MRNA utilizzati per scopi terapeutici come quelli utilizzati nel cancro.

Una terapia RNA è progettata per correggere l'errore o la mutazione nell'RNA di qualcuno con una malattia genetica. Notare la falsa equivalenza. La sua reazione allergica anafilattica la 2a ondata.

Un sistema di rilascio genico basato su peptidi autoassemblante potrebbe un giorno correggere le mutazioni del DNA mitocondriale che sono sottoposte alla terapia genica Mitocondriale DNA mitocondriale

La terapia genica con cellule staminali potrebbe essere la chiave per la biotecnologia del genoma della terapia genica Dmd

Figura 3 Terapia genica di immunodeficienze combinate gravi Terapia genica Immunologia Sintesi proteica

La Rna polimerasi legge le informazioni genetiche dal filamento di DNA e le traduce in un messaggero Rna Mo Biologia Attività Rna polimerasi Consulenza genetica

Telomerasi Rna Telomeri Anti Aging Comprensione

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Confronto tra strategie di silenziamento genico Espressione genica Informazioni genetiche Terapia genica

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Sintesi di RNA e proteine ​​​​Sintesi di proteine ​​​​Attività di DNA Sintesi di DNA

Risultato dell'immagine per il diagramma Crispr Cas9 Fun Science Terapia genica Biochimica

La terapia con RNA sferico mostra la promessa contro la psoriasi nella prima sperimentazione umana Psoriasi nei primi esseri umani terapia genica

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La differenza funzionale tra DNA vs RNA:

La funzione principale del DNA è immagazzinare e trasferire informazioni da una generazione all'altra in una popolazione. Perché il DNA si replica, si raddoppia ed è ereditato dalle cellule figlie.

Pertanto, ereditato da una generazione all'altra.

D'altra parte, la funzione dell'RNA è quella di formare una proteina.

In realtà, l'RNA raccoglie le informazioni di codifica dal DNA attraverso la trascrizione e le traduce in una catena di amminoacidi. (Una lunga catena di aminoacidi-catena polipeptidica, crea proteine).

Sulla base di ciò, un'altra differenza tra i due è che-

"Il DNA si autoreplica mentre l'RNA viene sintetizzato dal DNA solo quando necessario".

Diversi tipi di DNA:

DNA in natura, che si trova in cinque diverse forme: A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA e Z-DNA.

Il DNA della forma B si trova in quasi tutti gli organismi viventi ed è il più diffuso in natura. È un DNA destrorso con un solco maggiore e minore. Ha 10,5 paia di basi per giro elicoidale.

Anche il DNA della forma A è destrorso, ma l'elica è più larga del DNA della forma B. Ha il solco maggiore e minore e ha 11 paia di basi per giro elicoidale.

Il DNA a forma di z è mancino e non ha il solco principale. Ha 12 coppie di basi per giro elicoidale.

Il DNA a forma di C è una varietà molto rara con 9,33 paia di basi per giro elicoidale. Anche la forma D è estremamente rara.

Diversi tipi di RNA:

mRNA: un RNA messaggero codifica l'amminoacido per la creazione di una catena polipeptidica.

tRNA: un RNA di trasferimento aiuta a trasferire l'amminoacido al sito di traduzione d'ora in poi, nel citoplasma al ribosoma.

rRNA: un RNA ribosomiale citoplasmatico è un componente del ribosoma necessario per la sintesi proteica.

Illustrazione grafica del processo di trascrizione e traduzione. L'mRNA è formato dal DNA attraverso la trascrizione mentre una catena di amminoacidi viene tradotta dall'mRNA.

Altri RNA più piccoli: in una cellula sono presenti anche altri frammenti più piccoli di dsRNA chiamati microRNA e siRNA.

Molte altre differenze:

"La condizione alcalina è più favorevole per un DNA d'ora in poi, il DNA è più stabile in condizioni alcaline mentre l'RNA no".

Il DNA è costituito dal solco principale e dal solco minore, il solco minore non consente il legame enzimatico, quindi è molto difficile che la nucleasi si leghi al DNA e lo distrugga.

Contrariamente a ciò, l'RNA è a singolo filamento e non ha una struttura a solco minore, una nucleasi può attaccarlo facilmente e distruggerlo.

Tuttavia, la rottura e la risintesi dell'RNA si verificano continuamente in una cellula, più velocemente del DNA.

"Il DNA è meno reattivo a causa della stabilità fornita dai legami CH del desossiribosio mentre l'RNA è più reattivo a causa dei legami O-H del ribosio".

“Un genoma composto dal DNA contiene anche del DNA metilato che non può né esprimersi. D'altra parte, nessuno degli RNA è metilato".

Un'altra importante differenza tra DNA e RNA è la suscettibilità ai raggi ultravioletti.

I raggi ultravioletti- raggi UV sono uno dei tipi comuni di mutageni naturali che danneggiano il nostro DNA.

Un UV mutageno danneggia il nostro DNA e provoca mutazioni genetiche. Il DNA è più suscettibile ai danni UV mentre l'RNA è relativamente resistente ai raggi UV.

Illustrazione grafica delle principali differenze tra DNA e RNA.

Qualcosina in più...

Il DNA è a doppio filamento e più lungo mentre l'RNA è più corto e a singolo filamento, quindi l'RNA migra sopra il DNA in un gel. Se vedi una macchia sopra la banda del DNA in un gel, il tuo DNA è contaminato dall'RNA.

L'estrazione del DNA è ancora più facile dell'RNA RNasi presente ovunque anche sulle nostre mani e su altri strumenti, quindi l'RNA può essere facilmente scomposto o distrutto durante l'isolamento.

Un ulteriore passaggio di trascrizione inversa è richiesto durante il sequenziamento dell'RNA ma non nel sequenziamento del DNA. L'RNA estratto viene prima retrotrascritto nel cDNA e quindi processato per il sequenziamento.

Queste sono alcune delle differenze che dovresti conoscere su DNA e RNA. Ora parliamo di somiglianze.


Cos'è la PCR?

La reazione a catena della polimerasi (PCR) è un in vitro Tecnica di amplificazione del DNA che viene eseguita di routine nei laboratori di Biologia Molecolare. Questo metodo ha permesso la produzione da migliaia a milioni di copie di un frammento di DNA particolarmente interessato. La PCR è stata introdotta da Kary Mullis nel 1980. In questa tecnica, il frammento di DNA interessato viene utilizzato come stampo per fare copie. L'enzima chiamato Taq polimerasi viene utilizzato come enzima DNA polimerasi e catalizza la sintesi di nuovi filamenti del frammento di DNA. I primer presenti nella miscela PCR funzioneranno come punti di partenza per le estensioni dei frammenti. Alla fine della reazione PCR si possono ottenere molte copie del DNA campione.

Tutti gli ingredienti necessari per creare copie di DNA sono inclusi nella miscela PCR. Sono campioni di DNA, DNA polimerasi (Taq polimerasi), primer (primer diretti e inversi), nucleotidi (elementi costitutivi del DNA) e un tampone. La reazione PCR viene eseguita in una macchina PCR e dovrebbe essere alimentata con la miscela PCR corretta e il programma PCR corretto. Se la miscela di reazione e il programma sono corretti, produrrà la quantità richiesta di copie di una particolare sezione di DNA da una quantità molto piccola di DNA.

Ci sono tre fasi principali coinvolte in una reazione PCR e cioè denaturazione, ricottura del primer e estensione del filamento. Questi tre passaggi avvengono a tre diverse temperature. Il DNA esiste come un'elica a doppio filamento. Due filamenti sono legati da legami idrogeno. Prima dell'amplificazione, il DNA a doppio filamento viene separato mediante una temperatura elevata. Ad alta temperatura, il DNA a doppio filamento si denatura in filamenti singoli. Quindi i primer si ricoprono con le estremità fiancheggianti del frammento interessato o del gene del DNA. Il primer è un breve pezzo di DNA a filamento singolo che è complementare alle estremità della sequenza bersaglio. I primer diretti e inversi si ricoprono con le basi complementari alle estremità fiancheggianti del DNA campione denaturato alla temperatura di ricottura.

Quando i primer vengono ricotti con il DNA, l'enzima Taq polimerasi avvia la sintesi dei nuovi filamenti aggiungendo nucleotidi che sono complementari al DNA stampo. La Taq polimerasi è un enzima termostabile che viene isolato da un batterio termofilo chiamato Thermus aquaticus. Il tampone PCR mantiene le condizioni ottimali per l'azione della Taq polimerasi. Queste tre fasi della reazione PCR vengono ripetute per produrre la quantità richiesta del prodotto PCR. Ad ogni reazione di PCR, il numero della copia del DNA raddoppia. Quindi, un'amplificazione esponenziale può essere osservata nella PCR. Il prodotto della PCR può essere osservato utilizzando l'elettroforesi su gel poiché produce la quantità visibile di DNA su un gel e può essere purificato per ulteriori studi come il sequenziamento, ecc.

Figura 01: PCR

La PCR è uno strumento prezioso nella ricerca medica e biologica. Soprattutto negli studi forensi, la PCR ha un valore immenso poiché può amplificare il DNA per gli studi dai piccoli campioni dei criminali e creare profili del DNA forense. La PCR è ampiamente utilizzata in molte aree della biologia molecolare, tra cui genotipizzazione, clonazione genica, rilevamento di mutazioni, sequenziamento del DNA, microarray di DNA e test di paternità ecc.


Epitrascrittomica: il nuovo codice dell'RNA e la corsa al farmaco

Un piccolo gruppo di scienziati che studiano le modifiche chimiche sull'RNA ha inaugurato il campo dell'epitrascrittomica. Ora sperano che creerà un modo completamente nuovo di curare il cancro

Di Ryan Cross, Notizie di ingegneria chimica e amp, 18 febbraio 2019

Non capita tutti i giorni che un investitore in biotecnologie si imbatte in un campo della scienza completamente nuovo. E francamente, Carlo Rizzuto non cercava nemmeno una cosa del genere. Quando Rizzuto, un partner della società di venture capital Versant Ventures, ha intrapreso un viaggio di scouting a New York City nel 2014, sperava semplicemente di scoprire una ricerca accademica abbastanza matura da costituire le basi di un'azienda biotecnologica.

Rizzuto aveva un appuntamento con Samie Jaffrey, uno scienziato dell'RNA alla Weill Cornell Medicine. L'RNA è spesso descritto come un cugino del DNA, la sostanza di cui sono fatti i nostri geni. Un tipo di RNA, chiamato RNA messaggero, funge da codice intermediario che le cellule utilizzano per trasferire le informazioni memorizzate nel DNA in una serie di istruzioni che le cellule possono facilmente leggere per produrre proteine.

Dopo che Rizzuto ha rifiutato molti dei suoi progetti, Jaffrey ha menzionato una linea di lavoro relativamente giovane incentrata sullo studio delle modifiche chimiche all'RNA. Nel 2012, il suo laboratorio ha inventato un metodo per mappare la posizione dei gruppi metilici che, per qualche ragione, le cellule stavano aggiungendo al loro mRNA. Ricordava un altro campo, chiamato epigenetica, o lo studio delle modifiche chimiche apportate al DNA per attivare o disattivare i geni. L'intero RNA in una cellula è chiamato trascrittoma, quindi Jaffrey ha soprannominato il nuovo campo "epitrascrittomica".

Rizzuto si rianimò. "Questo è qualcosa a cui saremmo molto interessati", ha detto.Credito: Gotham Therapeutics Samie Jaffrey, professore di farmacologia presso Weill Cornell Medicine e cofondatore di Gotham Therapeutics, spiega la modifica m6A sull'RNA. Il laboratorio di Jaffrey ha inventato una tecnica per mappare la posizione di m6A sull'RNA.

Jaffrey era titubante. "Stiamo solo facendo cose di base ora", ricorda spiegando. Il suo laboratorio, e altri, stavano ancora cercando di capire come funzionasse questo sistema di modifica dell'RNA. Stavano costruendo prove che suggerivano che gli enzimi aggiungevano e rimuovevano questi segni metilici per controllare il destino dell'mRNA, e quindi la produzione di proteine, ma rimanevano molte domande. Jaffrey implorò: "Carlo, quale malattia cureremmo se avviassimo un'azienda intorno all'epitrascrittomica?"

"Non importa", rispose Rizzuto. "Questo è così centrale per la biologia molecolare che deve essere correlato ai processi patologici fondamentali".

Poi la realtà è arrivata. Le società di capitale di rischio come quella di Rizzuto non si occupano di finanziare anni di ricerca di base solo per vedere se qualcosa come l'epitrascrittomica è coinvolta nella malattia. "Stavamo cercando un nuovo paradigma per la regolazione dell'espressione genica", ricorda Rizzuto, ma era troppo presto per avviare un'azienda. Lui e Jaffrey hanno deciso di rimanere in contatto.

Da allora l'entusiasmo di Rizzuto nel 2014 si è diffuso tra gli scienziati e gli investitori che imparavano a conoscere l'epitrascrittomica. Diversi gruppi, incluso quello di Jaffrey, hanno dimostrato che il codice epitrascrittomico - il numero e la posizione delle modifiche chimiche nell'RNA di una cellula - è seriamente fuori controllo in alcuni tipi di cancro. E con gli strumenti di base in mano per leggere questo strato di informazioni precedentemente nascosto nelle cellule, le aziende biotecnologiche sono ora in procinto di modificarlo. Tre start-up, inclusa una che Jaffrey e Rizzuto hanno aiutato a fondare, chiamata Gotham Therapeutics, hanno lanciato con oltre 110 milioni di dollari in totale dedicati alla scoperta di farmaci per l'epitrascrittomica.

C'è stata una reazione simile all'epigenetica più di dieci anni fa, quando è diventato chiaro che le modifiche chimiche che regolano i geni sono spesso fuori controllo nel cancro. Le aziende si sono affrettate a sviluppare farmaci contro le proteine ​​responsabili della produzione, della rimozione e del riconoscimento delle modificazioni chimiche sui geni, spesso indicate come proteine ​​di scrittura, gomma e lettore. Con la scoperta di proteine ​​parallele di scrittura, gomma e lettore che lavorano sull'RNA, l'epitrascrittomica sembra un'area promettente e non sfruttata per la scoperta di farmaci.

Ma c'è un altro parallelo con l'epigenetica che è meno ottimista: finora, i farmaci epigenetici sono stati una delusione. "L'epigenetica si è rivelata molto più complicata di quanto la comunità inizialmente pensasse", afferma Chuan He, professore di chimica all'Università di Chicago.

Lui, fondatore scientifico della società di epitrascrittomica Accent Therapeutics, è stato in prima linea nello sviluppo del nuovo studio sulle modificazioni dell'RNA e sul loro ruolo nella malattia. Lui, Jaffrey e molti altri sono fiduciosi che la comprensione e il controllo delle modifiche dell'RNA forniranno strade completamente nuove per il trattamento delle malattie. "Ciò che offre davvero è una biologia completamente nuova", afferma. "E ogni volta che emerge una nuova biologia, ci sono sempre opportunità per le terapie".

EPITRANSCRIPTOMICA, IN BREVE

Una serie di scoperte e progressi tecnici nell'ultimo decennio ha generato un nuovo campo chiamato epitrascrittomica, lo studio delle modifiche chimiche all'RNA e le proteine ​​che scrivono, cancellano e leggono queste modifiche. Negli ultimi anni, gli studi sull'implicazione delle proteine ​​epitrascrittomiche nel cancro hanno portato al lancio di tre aziende biotecnologiche dedicate a drogare queste proteine.

maggio 2008: Rupert Fray mostra che un enzima che aggiunge metil è essenziale per lo sviluppo delle piante. Lo studio ispira gli altri a esaminare le modifiche dell'RNA.

Novembre 2010: Chuan He propone un nuovo campo dell'epigenetica dell'RNA, suggerendo che le modifiche metiliche sull'RNA possono essere rimosse.

ottobre 2011: Il laboratorio di Chuan He dimostra che un enzima chiamato FTO cancella le modifiche del metile sull'RNA.

aprile e maggio 2012: I laboratori di Gideon Rechavi (aprile) e Samie Jaffrey (maggio) pubblicano le prime mappe delle modificazioni metiliche dell'RNA. Jaffrey conia la parola "epitrascrittomica".

ottobre 2014: Il laboratorio di Howard Chang mostra che METTL3, che aggiunge gruppi metilici all'RNA, è fondamentale per lo sviluppo e la differenziazione delle cellule staminali embrionali.

giugno 2016: Storm Therapeutics, fondata dagli scienziati Tony Kouzarides ed Eric Miska dell'Università di Cambridge, raccoglie 16 milioni di dollari per farmaci proteici che modificano l'RNA.

settembre e novembre 2017: Studi indipendenti di Samie Jaffrey e colleghi (settembre) e Tony Kouzarides e colleghi (novembre) mostrano che METTL3 è elevato nella leucemia mieloide acuta e che la soppressione dell'enzima costringe le cellule tumorali a diventare non cancerose.

maggio 2018: Accent Therapeutics, cofondata da Chuan He, Howard Chang e Robert Copeland, raccoglie 40 milioni di dollari.

ottobre 2018: Gotham Therapeutics, cofondata da Samie Jaffrey, lancia con 54 milioni di dollari.

Febbraio 2019: Le prove dimostrano che l'epitrascrittomica può essere importante per l'immunoterapia del cancro. Chuan He mostra che l'eliminazione di una proteina del lettore aumenta l'efficacia degli inibitori del checkpoint nei topi.

FARE UNA MAPPA

Una serie di eventi iniziati nel 2008 ha posto le basi per l'epitrascrittomica. Quell'anno, mentre stava studiando gli enzimi epigenetici che rimuovono le modifiche metiliche dal DNA, lui e il biologo dell'Università di Chicago Tao Pan iniziarono a dubitare che tutti questi enzimi stessero davvero lavorando sul DNA come altri presumevano. Le prove erano particolarmente vaghe per un enzima, chiamato massa grassa e proteine ​​associate all'obesità, o FTO.

Ma uno studio uscito dal laboratorio del biologo vegetale Rupert Fray dell'Università di Nottingham ha rafforzato i sospetti di He e Pan che le modifiche dell'RNA fossero sottovalutate. Fray ha mostrato che le piante prive di un enzima che aggiunge metil, simile a un enzima chiamato METTL3 negli esseri umani, hanno smesso di crescere in una fase iniziale specifica del loro sviluppo.

Gli scienziati sapevano che METTL3 metteva un metile su uno specifico azoto nell'adenosina, uno dei quattro elementi costitutivi dell'RNA. Questo blocco di costruzione modificato è chiamato n 6-metiladenosina, o m6A in breve. Oltre a m6A, i chimici avevano catalogato circa 150 diverse modificazioni chimiche dell'RNA in batteri, piante e animali. Se fosse riuscito a trovare un enzima che rimuovesse i gruppi metilici, suggerirebbe l'esistenza di un sistema di controllo dell'RNA da scoprire nelle cellule, analogo ai controlli epigenetici nel DNA.

Nel 2010, ha coniato la frase "epigenetica dell'RNA" in un commento che ha delineato le sue idee (Naz. chimica. Biol., DOI: 10.1038/nchembio.482). Un anno dopo, He e Pan pubblicarono prove che dimostravano che l'enzima FTO era una gomma per cancellare: rimuoveva le modifiche metiliche apportate da METTL3 (Naz. chimica. Biol. 2011, DOI: 10.1038/nchembio.687).

METTL3 e FTO sono entrambi enzimi, il che significa che dovrebbero essere piuttosto semplici da inibire con farmaci a piccole molecole.Questa nozione sarebbe stata in seguito frequentemente citata dalle nuove società di epitrascrittomica, anche se sarebbero trascorsi ancora diversi anni prima che questi enzimi fossero collegati alla malattia.

All'inizio, molti ricercatori hanno perso il significato di questi enzimi. Alla Weill Cornell, tuttavia, Jaffrey ha subito riconosciuto che lo studio di He faceva parte di un nuovo campo che stava per esplodere. Il suo laboratorio stava lavorando a un metodo per rilevare e mappare m6A attraverso l'mRNA di una cellula. Jaffrey aveva anche visto il lavoro di Fray su m6A nelle piante e pensava che se le modifiche esistevano negli esseri umani, dovevano fare qualcosa di importante anche in noi.

A quel tempo, i metodi per studiare m6A erano rudimentali. I ricercatori hanno potuto rilevare la presenza di m6A nei globi macinati di mRNA analizzati attraverso comuni tecniche di laboratorio di chimica come la cromatografia o la spettrometria di massa. "Ma non avevi idea di quali mRNA venissero modificati", dice Jaffrey. Nessuno sapeva se tutto l'mRNA avesse qualche m6A o se le modificazioni del metile fossero state trovate solo su alcune trascrizioni, aggiunge. "E francamente, non era nemmeno terribilmente chiaro che i livelli di m6A cambiassero". Questo è così centrale per la biologia molecolare che deve essere correlato ai processi patologici fondamentali.Carlo Rizzuto, partner, Versant Ventures

Quindi Jaffrey e Kate Meyer, un postdoc nel suo laboratorio, hanno sviluppato una tecnica per capire quali mRNA contenevano queste modifiche. Hanno usato anticorpi disponibili in commercio che si attaccano a m6A per estrarre frammenti di mRNA umano per il sequenziamento (Cellula 2012, DOI: 10.1016/j.cell.2012.05.003).

Quella tecnica ha permesso la creazione della prima mappa di m6A. I risultati sono stati sorprendenti. "Pensavamo che m6A sarebbe stato dappertutto, un po' a caso", dice Jaffrey. Invece, i ricercatori hanno visto che i segni di metile tendevano a raggrupparsi vicino a un'area chiamata codone di stop, e solo su alcune trascrizioni di mRNA. "Era così specifico, ci ha semplicemente fatto saltare i calzini."

Un'ispezione ancora più attenta ha rivelato che molti degli mRNA contenenti m6A erano collegati alla differenziazione e allo sviluppo, le stesse funzioni che erano interessate negli embrioni delle piante rachitiche di Fray. "Siamo rimasti sbalorditi", dice Jaffrey.

Nell'aprile 2012, mentre Jaffrey e Meyer stavano aspettando la pubblicazione del loro articolo m6A, un altro gruppo, guidato da Gideon Rechavi all'Università di Tel Aviv, ha pubblicato un proprio articolo sull'uso degli anticorpi per mappare m6A nelle cellule di topo e umane (Natura 2012, DOI: 10.1038/natura11112). "È stato accolto con molto scetticismo", afferma Dan Dominissini, il dottorando nel laboratorio di Rechavi che ha guidato il progetto. “La gente non capiva perché fosse importante. Ci è voluto un anno per pubblicarlo".

Il problema era che i ricercatori non avevano ancora stabilito un chiaro legame tra queste modificazioni dell'RNA e la malattia, o anche la biologia umana di base. Inoltre, il campo non avrebbe avuto il suo nome di epitrascrittomica per altre tre settimane, quando l'articolo di Jaffrey e Meyer che descriveva la loro tecnica di mappatura m6A è stato pubblicato online nel maggio 2012. Sebbene Jaffrey fosse stato raccolto, le pubblicazioni consecutive mettono l'epitrascrittomica sul radar. Il campo era sul punto di esplodere.

Modifica del codice epitrascrittomico

La modificazione dell'RNA più comune è n 6-metiladenosina (m6A), che viene prodotta quando un complesso proteico contenente l'enzima "scrittore" METTL3 aggiunge un gruppo metilico all'adenosina. Due diversi enzimi "cancellatori", chiamati ALKBH5 e FTO, possono rimuovere un gruppo metilico per trasformare m6A di nuovo in adenosina.Credito: immagini proteiche ALKBH5, FTO e METTL3-METTL14 create con Protein Data Bank, NGL Viewer

ALLA RICERCA DELLA MALATTIA

A Chicago, posizionava il suo laboratorio come l'avanguardia della ricerca sull'epitrascrittomica. Il suo gruppo ha scoperto che un enzima chiamato ALKBH5, come FTO, cancellava i segni di metile sull'RNA, trasformando m6A di nuovo in adenosina. Eppure, anche nel 2014, due anni dopo la pubblicazione dei metodi di mappatura m6A, l'epitrascrittomica non stava ottenendo il riconoscimento, o il finanziamento, che secondo lui meritava. "La gente pensava che fosse carino", dice. "Ma i biologi non erano convinti del suo significato".

L'epitrascrittomica era ormai un argomento scottante. Quando gli studi hanno iniziato a esplodere esplorando il ruolo delle modificazioni dell'RNA, in particolare m6A, in una varietà di cellule e specie, gli investitori hanno iniziato a investire denaro nel campo. Nel giugno 2016, una start-up britannica chiamata Storm Therapeutics ha raccolto 16 milioni di dollari ed è diventata la prima azienda dedicata ad affrontare la nuova epigenetica dell'RNA.

Sebbene Storm fosse in lavorazione da diversi anni, non era chiaro quali malattie l'azienda avrebbe curato. Due scienziati dell'Università di Cambridge, Tony Kouzarides ed Eric Miska, hanno iniziato a discutere l'idea per l'azienda nel 2012, quando avevano pubblicato un lavoro su enzimi oscuri che modificano chimicamente i microRNA, che regolano la funzione di altri RNA.

Sebbene gli enzimi fossero collegati al cancro, almeno nelle cellule che crescono in un piatto, gli studi sui microRNA sono passati in gran parte inosservati. Kouzarides e Miska pensavano che dovessero esistere altri collegamenti sconosciuti tra le modificazioni dell'RNA e il cancro, ma ci sono voluti alcuni anni per trovare investitori disposti a scommettere sulla loro ipotesi. "Non credo che ci fosse un'enorme quantità di dati effettivi, era solo la convinzione che dovesse esserci", afferma il CEO di Storm, Keith Blundy. "L'idea che tutte queste modifiche chimiche sull'RNA non fossero disregolate o mutate o cambiate nel cancro era quasi impensabile".

Quella convinzione, che riecheggia il sentimento espresso da Rizzuto di Versant Ventures nell'ufficio di Jaffrey nel 2014, stava per essere convalidato. Nella seconda metà del 2016, sono iniziati gli studi che collegano le proteine ​​di lettura e scrittura al cancro. Jaffrey ha visto le prove in prima persona in uno studio in corso che stava conducendo sul cancro del sangue. Le implicazioni per la scoperta di farmaci stavano diventando chiare. Si è rivolto a Rizzuto. Era ora di andare avanti.

ANNOTAZIONI NEL SANGUE

Il filo conduttore della ricerca sull'epitrascrittomica era il suo legame con la differenziazione e lo sviluppo cellulare. Gli studi sulle cellule staminali di Chang e Rechavi su m6A hanno dato a diversi laboratori di ricerca, tra cui He, Jaffrey e Kouzarides, l'idea di esaminare il ruolo di queste modificazioni dell'RNA in un cancro mortale del sangue chiamato leucemia mieloide acuta.

La leucemia è essenzialmente una malattia di differenziazione disfunzionale. Le ossa delle persone sane sono piene di cellule staminali ematopoietiche che producono globuli bianchi. Nella leucemia, queste cellule staminali vanno in tilt. Proliferano e spostano altre cellule del sangue perché non possono differenziarsi, o maturare, in normali globuli bianchi.

Nel dicembre 2016, il laboratorio di He, insieme a diversi collaboratori, ha dimostrato che campioni di tessuto prelevati da persone con determinati tipi di leucemia mieloide acuta mostravano alti livelli dell'enzima FTO, che cinque anni prima aveva scoperto essere una gomma m6A (Cellula cancerosa 2016, DOI: 10.1016/j.ccell.2016.11.017). Pochi mesi dopo, con un diverso gruppo di collaboratori, dimostrò che i livelli dell'enzima di rimozione del metil ALKBH5 erano elevati nelle cellule staminali del glioblastoma (Cellula cancerosa 2017, DOI: 10.1016/j.ccell.2017.02.013).Credito: Giornale della Società Chimica AmericanaUna struttura superficiale (mesh) di un duplex di RNA (stick) con la modifica metilica di m6A (sfere).

All'inizio del 2017, Lasky, l'investitore del gruppo Column, ha contattato He. Ora che gli enzimi epitrascrittomici erano legati al cancro, l'azienda di Lasky voleva avviare un'azienda farmaceutica per controllare le modifiche dell'RNA. Con i nuovi dati sul cancro in mano, sentiva che era il momento giusto.

Gli investitori sapevano anche di una pubblicazione nei lavori di Jaffrey e dell'esperto di leucemia Michael Kharas al Memorial Sloan Kettering Cancer Center. Il gruppo Column e Versant Ventures hanno lavorato insieme per un po' per iniziare a formare un'unica società di epitrascrittomica con diversi leader accademici. Durante l'estate del 2017, tuttavia, i diversi giocatori si sono divisi in due campi. Il Column Group ha proposto He e Chang come cofondatori accademici di Accent Therapeutics. Versant Ventures ha nominato Jaffrey il fondatore accademico di Gotham Therapeutics.

Mentre Accent e Gotham erano ancora in modalità invisibile, Jaffrey ha pubblicato uno studio che mostrava che le mutazioni genetiche portavano a livelli fissi ed elevati di METTL3 nella leucemia mieloide acuta, impedendo la formazione di globuli bianchi. Riducendo i livelli di METTL3, le cellule leucemiche potrebbero essere indotte a differenziarsi per diventare cellule non cancerose che alla fine muoiono (Naz. Med. 2017, DOI: 10.1038/nm.4416). "È stato straordinario perché non avevamo nemmeno bisogno dell'inibizione completa di METTL3", afferma Jaffrey.

Due mesi dopo, il laboratorio di Kouzarides presso l'Università di Cambridge ha pubblicato risultati simili, con ulteriori dettagli su ciò che METTL3 stava facendo in queste cellule (Natura 2017, DOI: 10.1038/nature24678). Nella leucemia, METTL3 elevato ha incoraggiato la produzione di proteine ​​legate al cancro. "Sta alimentando la cellula con le stesse proteine ​​che stanno guidando la tumorigenesi", afferma Lee Babiss, CEO di Gotham.

L'epitrascrittomica aveva ora bersagli farmacologici, malattie e studi di alto profilo. Dopo aver reclutato ulteriori investitori, Accent ha lanciato con $ 40 milioni a maggio 2018 e Gotham ha lanciato con $ 54 milioni a ottobre. Storm Therapeutics è in procinto di raccogliere circa $ 65 milioni per il suo secondo round di liquidità dagli investitori. Sebbene nessuna di queste aziende nominerà i propri obiettivi o le prime malattie che cercheranno di trattare, le conversazioni con i CEO delle aziende suggeriscono che lo sviluppo di inibitori di METTL3 è un obiettivo per tutti e tre.

I progettisti di farmaci hanno molta esperienza nell'inibire gli enzimi, rendendo METTL3 un primo obiettivo interessante. Ma la sua attività potrebbe non essere semplice, afferma Yunsun Nam, biofisico presso il Southwestern Medical Center dell'Università del Texas. METTL3 cattura il gruppo metilico che aggiunge all'RNA dalla S-adenosilmetionina (SAM), una molecola utilizzata da molti altri enzimi. I composti delle aziende dovranno evitare di inibire anche questi altri enzimi, spiega.

Nam pensa che una soluzione alternativa potrebbe mirare a una proteina chiamata METTL14, che è attaccata a METTL3 come parte di un complesso di scrittura m6A più grande. "METTL3 e METTL14 dipendono molto l'uno dall'altro per la stabilità", afferma.

Anche se le aziende possono sviluppare inibitori selettivi di METTL3, non è chiaro quante persone ne trarrebbero beneficio. Mentre gli studi sulla leucemia di Jaffrey e Kouzarides hanno mostrato che i livelli di m6A sono troppo alti, gli studi sulla leucemia e sul glioblastoma di He hanno mostrato il contrario, che i livelli di m6A sono troppo bassi. Altri studi hanno suggerito risultati più contraddittori, incluso che i livelli di m6A potrebbero essere troppo alti nel glioblastoma. In altre parole, quando si sviluppano terapie, sarà fondamentale conoscere lo stato epitrascrittomico delle proprie cellule tumorali. Altrimenti, dare alla persona sbagliata un inibitore METTL3 potrebbe peggiorare le cose.

"Questa è una possibilità", riconosce Robert Copeland, presidente e direttore scientifico di Accent. La sfida per Accent e altre aziende sarà capire quale sottogruppo di persone con leucemia trarrebbe beneficio da un inibitore METTL3, per abbassare i livelli di m6A, e quale trarrebbe beneficio da un inibitore FTO, per aumentare i livelli di m6A, spiega Copeland. "Se il pendolo oscilla troppo da una parte o troppo dall'altra, puoi causare malattie".Credito: Accent TherapeuticsRobert Copeland, presidente e direttore scientifico di Accent Therapeutics

EPI-ESPANSIONE

Sebbene i leader di Accent, Gotham e Storm siano segreti sulle loro strategie, tutti suggeriscono che la portata potenziale della scoperta di farmaci per l'epitrascrittomica è molto più ampia del semplice obiettivo di METTL3.

Oltre alle gomme m6A, un numero crescente di lavori sta scoprendo l'importanza dei lettori m6A. All'inizio di questo mese, il laboratorio di He ha dimostrato che una proteina del lettore m6A chiamata YTHDF1 è un importante interruttore di controllo nel sistema immunitario e che la sua inibizione potrebbe aumentare notevolmente l'efficacia degli inibitori del checkpoint esistenti, una classe popolare di immunoterapia del cancro.Natura 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-0916-x). "Penso che molte aziende di immunoterapia passeranno all'epitrascrittomica una volta letto il documento", afferma.

E questo non è il primo collegamento noto tra epitrascrittomica e immunoterapia, afferma Copeland di Accent. La sua azienda ha studiato un enzima chiamato ADAR1, che sta per adenosina deaminasi che agisce sull'RNA, che modifica le basi dell'adenosina nell'RNA. Studi di laboratori accademici mostrano che alcuni tumori dipendono da ADAR1 in modi che le cellule normali non lo fanno. Uno studio suggerisce che il blocco di ADAR1 potrebbe rendere alcuni tumori resistenti ai farmaci vulnerabili agli inibitori del checkpoint (Natura 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0768-9).

Altri laboratori che entrano nella mischia stanno scoprendo nuove proteine ​​che leggono, scrivono e cancellano le modifiche dell'RNA, con collegamenti ad altri tipi di cancro e altre malattie. La portata dell'epitrascrittomica potrebbe essere enorme. "Questo è ciò che ci entusiasma del campo", afferma Blundy, CEO di Storm. "Ci sono molti, molti percorsi di RNA che sono regolati attraverso modifiche".

Tuttavia, le scoperte non stanno tutte procedendo senza intoppi. Ad esempio, Jaffrey afferma che l'obiettivo principale dell'enzima di gomma FTO non è in realtà m6A ma una modifica leggermente diversa, chiamata m6Am. Altri non sono d'accordo. "C'è ancora del dibattito, ma questa è la traiettoria normale per un campo, specialmente nei primi giorni", afferma Jaffrey.

Il campo ha ancora ostacoli tecnici. "In questo momento i metodi per mappare e rilevare m6A sono rozzi", ammette Jaffrey. I metodi esistenti richiedono campioni di grandi dimensioni e sono inefficaci nel quantificare come i livelli di m6A cambiano nel tempo su particolari trascritti di mRNA. Il suo laboratorio sta ora lavorando su modi per quantificare meglio m6A per diagnosticare o prevedere le malattie nella clinica. Tali strumenti saranno fondamentali per reclutare le persone giuste negli studi clinici che testano gli inibitori delle proteine ​​epitrascrittomiche.

Un altro problema è la mancanza di inibitori di piccole molecole pubblicamente disponibili per lo studio delle proteine ​​epitrascrittomiche. "Non abbiamo nemmeno un inibitore per la ricerca", afferma Dominissini, che ha anche sviluppato nuove tecniche di mappatura della modifica dell'RNA e ora gestisce il proprio laboratorio di epitrascrittomica all'Università di Tel Aviv. In questo momento, i ricercatori devono utilizzare tecniche genetiche per rimuovere o bloccare la produzione di proteine ​​di scrittura, gomma e lettore, ma ciò di cui il campo ha veramente bisogno sono semplici piccole molecole per testare le ipotesi che queste proteine ​​saranno buoni bersagli farmacologici, dice. Certo, è su questo che stanno lavorando le aziende.

Una simile mancanza di composti ha bloccato la scoperta di farmaci epigenetici più di dieci anni fa. I pionieri nel campo dell'epitrascrittomica non sono turbati da questi paralleli. "Non credo che ci sia una relazione tra il successo o il fallimento di un farmaco per l'epigenetica rispetto a un farmaco per l'epitrascrittomica", afferma Jaffrey.

Gli scienziati e le aziende del settore stanno correndo a tutta velocità. Centinaia di laboratori hanno citato documenti di Dominissini, He e Jaffrey, e tutti possono indicare diversi studi in corso che indagano sul ruolo delle modificazioni dell'RNA in altre malattie. "Riflette quanto velocemente le persone sono saltate sul campo", dice. "L'epitrascrittomica sta esplodendo".


Come la biologia sintetica può aiutare l'ambiente

La maggior parte delle scienze ambientali si concentra su come far tornare indietro l'orologio, non spingerlo in avanti, afferma Ben Bostick, un geochimico del Lamont-Doherty Earth Observatory. "Pensiamo a come possiamo ridurre la nostra impronta, e non tanto a come possiamo aumentare la nostra impronta in modo positivo", ha detto. “Ma ci sono molti esempi di biologia sintetica che penso abbiano davvero un grande potenziale nell'ambiente. Pensa a come possiamo aiutare il nostro ambiente semplicemente facendo cose come migliorare i materiali che produciamo usando la biologia sintetica”.

La biologia sintetica (synbio) è la costruzione di componenti biologici, come enzimi e cellule, o funzioni e organismi che non esistono in natura, o la loro riprogettazione per svolgere nuove funzioni. I biologi sintetici identificano le sequenze geniche che conferiscono agli organismi determinate caratteristiche, le creano chimicamente in un laboratorio, quindi le inseriscono in altri microrganismi, come E. coli, in modo che producano le proteine, le caratteristiche o le funzioni desiderate.

Dal 2011, quando ho scritto un'introduzione generale a synbio, il campo è cresciuto rapidamente.

Uno dei motivi è lo sviluppo dello strumento di editing genetico CRISPR-Cas9, utilizzato per la prima volta nel 2013, che individua, taglia e sostituisce il DNA in posizioni specifiche. Un altro motivo è quanto sia diventato facile utilizzare il Registro delle parti biologiche standard, che cataloga oltre 20.000 parti genetiche o BioBrick che possono essere ordinati e utilizzati per creare nuovi organismi o sistemi sintetici.

Nel 2018, gli investitori hanno versato 3,8 miliardi di dollari e i governi di tutto il mondo hanno investito 50 milioni di dollari in società synbio. Entro il 2022, si prevede che il mercato globale delle applicazioni synbio raggiungerà i 13,9 miliardi di dollari. Ma la biologia sintetica è ancora controversa perché implica l'alterazione della natura e il suo potenziale e i suoi rischi non sono completamente compresi.

Bostick, che lavora per riparare la contaminazione da arsenico delle acque sotterranee stimolando i batteri naturali a produrre sostanze a cui l'arsenico si attacca, ha spiegato che, in effetti, l'intera comunità biologica che lavora sugli organismi altera continuamente i sistemi biologici, ma non cambia il materiale genetico o organismi. Gli scienziati eliminano gli enzimi, ne inseriscono di nuovi e cambiano cose diverse per comprendere il mondo naturale "Quelle sono tecniche standard ora, ma sono fatte in modo meccanicistico", ha detto. “Se vuoi vedere come funziona una proteina, cosa fai? In realtà lo cambi: è esattamente così che abbiamo studiato il nostro ambiente. Sono sintetici e sono alterazioni biologiche, ma semplicemente non sono fatti con lo scopo che definisce la biologia sintetica". Synbio è più controverso perché il suo scopo è costruire sistemi biologici artificiali che non esistono già nel mondo naturale.

Tuttavia, la biologia sintetica sta producendo alcune potenziali soluzioni ai nostri problemi ambientali più intrattabili. Ecco alcuni esempi.

Affrontare l'inquinamento

I microbi sono stati usati per decenni per rilevare, identificare e quantificare gli inquinanti ambientali. Ora i biosensori microbici sintetizzati sono in grado di mirare a tossine specifiche come arsenico, cadmio, mercurio, azoto, ammonio, nitrato, fosforo e metalli pesanti e rispondere in vari modi. Possono essere progettati per generare un segnale elettrochimico, termico, acustico o bioluminescente quando incontrano l'inquinante designato.

CRISPR è stato usato per dare ai moscerini della frutta occhi rossi fluorescenti. Foto: NICHD

Alcuni microbi possono decontaminare il suolo o l'acqua in modo naturale. La sintesi di determinate proteine ​​e il loro trasferimento a questi batteri può migliorare la loro capacità di legarsi o degradare metalli pesanti o radionuclidi.A un batterio del suolo sono stati dati nuovi circuiti regolatori che lo indirizzano a consumare prodotti chimici industriali come cibo. I ricercatori scozzesi stanno progettando batteri per convertire i metalli pesanti in nanoparticelle metalliche, che vengono utilizzate in medicina, industria e combustibili.

CustoMem nel Regno Unito utilizza la biologia sintetica per creare un materiale granulare che attrae e si attacca ai microinquinanti come pesticidi, prodotti farmaceutici e alcune sostanze chimiche nelle acque reflue. E i ricercatori australiani stanno tentando di creare una struttura multicellulare che chiamano "medusa sintetica" che potrebbe essere rilasciata dopo una fuoriuscita di sostanze tossiche per abbattere i contaminanti.

Preservare la biodiversità

Gli scienziati stanno usando la biologia sintetica per rendere i castagni americani più resistenti a un fungo mortale. Foto: Joe Blowe

I castagni americani hanno dominato la costa orientale degli Stati Uniti fino al 1876, quando un fungo trasportato dai semi di castagno importati li ha devastati, lasciando meno dell'uno per cento nel 1950. Per realizzare alberi resistenti alla peronospora, gli scienziati hanno inserito un gene del grano negli embrioni di castagno, consentendo loro per fare un enzima che disintossica il fungo. È probabile che questo castagno diventi il ​​primo organismo geneticamente modificato ad essere rilasciato in natura una volta approvato dal Dipartimento dell'agricoltura, dalla Food and Drug Administration (FDA) e dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente (EPA).

Revive & Restore, un'organizzazione che utilizza tecniche genetiche per preservare la biodiversità, sta tentando di salvare il furetto dai piedi neri in via di estinzione, che è suscettibile alla peste silvestre. Poiché il furetto domestico non lo è, gli scienziati stanno studiando la possibilità di trovare i geni che conferiscono resistenza al furetto domestico e modificarli nel genoma del furetto dai piedi neri. La ricerca inizierà con colture cellulari in laboratorio.

Gene drive sono meccanismi che diffondono un tratto genetico desiderato attraverso una popolazione per controllare le specie invasive. Recentemente è stato preso in considerazione un gene drive per controllare la cozza dorata, che ha invaso le acque sudamericane e latinoamericane. Dopo aver identificato i geni legati alla riproduzione e all'infertilità nelle cozze, gli scienziati hanno proposto di utilizzare CRISPR-Cas9 per modificare il genoma della cozza per rendere sterili le femmine. Le cozze geneticamente modificate verrebbero quindi allevate con le cozze selvatiche in laboratorio, creando embrioni modificati che potrebbero essere rilasciati in natura per diffondere l'infertilità in tutta la popolazione. Un gene drive per eliminare le zanzare che trasportano la malaria ha funzionato in laboratorio, ma finora non è stato provato sul campo alcun gene drive ingegnerizzato.

Questa crosta del suolo contiene cianobatteri, alghe, funghi e licheni. Foto: libri sulla birra

Alcuni scienziati stanno anche lavorando alla modifica dei genomi dei coralli per conferire loro maggiore resistenza al riscaldamento delle temperature oceaniche, all'inquinamento e all'acidificazione degli oceani. Altri hanno proposto di modificare i geni dei cianobatteri che influenzano l'umidità nella crosta del suolo degli ecosistemi semidesertici in modo che il suolo conservi più acqua e possa crescere più vegetazione.

Nutrire il mondo

Con la popolazione mondiale che dovrebbe raggiungere i 10 miliardi entro il 2050, la domanda globale di cibo potrebbe aumentare dal 59 al 98 percento. Gli impatti dei cambiamenti climatici - temperature più elevate, condizioni meteorologiche estreme, siccità, aumento dei livelli di anidride carbonica e aumento del livello del mare - stanno mettendo a repentaglio la quantità e la qualità delle nostre scorte di cibo.

I ricercatori dell'Università della California, a San Diego, hanno scoperto che quando le piante incontrano condizioni di siccità, rilasciano un ormone che chiude i pori della pianta per trattenere l'acqua, rallenta la sua crescita e mantiene i semi dormienti. Quell'ormone è costoso da sintetizzare, tuttavia, quindi gli scienziati hanno lavorato con recettori sviluppati sinteticamente nelle piante di pomodoro che hanno risposto in modo simile a un fungicida comunemente usato per risparmiare acqua, rendendo le piante più resistenti alla siccità.

Gli scienziati del Salk Institute hanno identificato i geni che incoraggiano il sistema radicale di una pianta a crescere più in profondità nel terreno. Hanno in programma di progettare percorsi genetici per stimolare radici più profonde, che consentiranno alle piante coltivate di resistere allo stress, sequestrare più carbonio e arricchire il suolo.

I microbi che vivono con i legumi danno loro la capacità di convertire l'azoto dall'atmosfera in sostanze nutritive di cui la pianta ha bisogno per crescere. Tuttavia, poiché altre piante non possono assimilare naturalmente l'azoto, gli agricoltori hanno tradizionalmente utilizzato fertilizzanti chimici. La produzione di fertilizzanti, costituiti principalmente da combustibili fossili, provoca emissioni di gas serra ed eutrofizzazione. In alternativa, Pivot Bio, un'azienda californiana, ha ingegnerizzato i geni di un microbo che vive sulle radici delle piante di mais, grano e riso per consentire al microbo di estrarre l'azoto dall'aria e darlo a una pianta in cambio di sostanze nutritive . Nei test sul campo, il suo microbo che produce azoto per il mais ha prodotto 7,7 staia per acro in più rispetto ai campi fertilizzati chimicamente.

L'agricoltura, compreso l'allevamento del bestiame, è responsabile di circa l'8% delle emissioni di gas serra degli Stati Uniti. I microbi geneticamente modificati vengono utilizzati per produrre alimenti più sostenibili, etici e potenzialmente più sani. Motif Ingredients sta sviluppando ingredienti proteici alternativi senza agricoltura animale. Utilizza microbi ingegnerizzati per produrre proteine ​​alimentari che possono essere adattate per imitare sapori o consistenze simili a quelle che si trovano nella carne bovina e nei latticini.

L'hamburger impossibile Foto: Dale Cruse

L'hamburger vegetale di Impossible Foods contiene eme sintetizzato, la molecola contenente ferro presente negli animali e nelle piante che conferisce alla carne il suo sapore sanguinante. Per realizzarlo, gli scienziati hanno aggiunto al lievito un gene vegetale che, dopo la fermentazione, ha prodotto grandi quantità della proteina eme. Impossible Burger utilizza il 75% in meno di acqua e il 95% in meno di terra rispetto a un normale hamburger di manzo e produce l'87% in meno di emissioni di gas serra.

Poiché la domanda di frutti di mare cresce a livello globale (gli stock ittici sono già sovrasfruttati del 90%), aumenta anche la necessità di farina di pesce, i pellet proteici fatti di piccoli pesci e cereali macinati che alimentano i pesci d'allevamento e il bestiame. NovoNutrients, con sede in California, utilizza la CO2 delle emissioni industriali per nutrire i batteri creati in laboratorio, che quindi producono proteine ​​simili agli aminoacidi che i pesci ottengono mangiando pesci più piccoli, i batteri sostituiscono la farina di pesce, fornendo al pesce proteine ​​e altri nutrienti.

Creare prodotti più ecologici

La combustione di combustibili fossili per produrre energia ha rappresentato il 94 percento delle emissioni totali di CO2 antropogeniche degli Stati Uniti nel 2016, quindi molte ricerche mirano a creare biocarburanti migliori che non competano con la produzione alimentare, i nutrienti del suolo o lo spazio. L'ultima generazione di biocarburanti si concentra su microalghe ingegnerizzate, che hanno un alto contenuto di grassi e carboidrati, crescono rapidamente e sono relativamente robuste. L'alterazione dei loro percorsi metabolici consente loro di fotosintetizzare in modo più efficiente, produrre più petrolio, assorbire più carbonio ed essere più resistenti in modo che il loro numero possa essere aumentato.

Il National Renewable Energy Lab sta studiando le microalghe per i biocarburanti
Foto: DOE

LanzaTech in Illinois ha identificato un organismo che produce naturalmente etanolo dai gas di scarico industriali. Dopo che l'azienda lo ha progettato con "percorsi" di altri organismi per migliorarne le prestazioni, l'organismo è in grado di produrre molecole uniche per sostanze chimiche e combustibili preziosi. Il primo impianto commerciale di LanzaTech in Cina ha prodotto oltre sette milioni di galloni di etanolo dalle emissioni delle acciaierie che possono essere convertiti in carburante per aerei e altri prodotti.

165 milioni di tonnellate di plastica hanno distrutto gli oceani, con quasi 9 milioni di tonnellate in più aggiunte ogni anno. Synbio potrebbe fornire una soluzione a questo problema di inquinamento, sia degradando la plastica che sostituendola.

Nel 2016, i ricercatori in Giappone hanno identificato due enzimi in un batterio che gli consentono di nutrirsi e degradare la plastica PET, il tipo utilizzato per bottiglie d'acqua e contenitori per alimenti. Da allora, i ricercatori di tutto il mondo hanno analizzato come gli enzimi scompongono la plastica e hanno cercato di migliorare la loro capacità di farlo.

Newlight Technologies, con sede in California, utilizza un biocatalizzatore a base di microrganismi appositamente sviluppato (simile a un enzima) per trasformare i gas di scarico catturati dall'aria in una bioplastica. Il biocatalizzatore estrae il carbonio dal metano o dall'anidride carbonica da fattorie, impianti di trattamento delle acque, discariche o impianti energetici, quindi lo combina con idrogeno e ossigeno per sintetizzare un materiale biopolimero. Il biopolimero, chiamato AirCarbon, può sostituire la plastica nei mobili e negli imballaggi.

La lignina è un componente chiave delle piante che, come altri tipi di biomassa, potrebbe essere utilizzata per combustibili e prodotti chimici rinnovabili. Poiché pochissimi batteri e funghi possono abbatterlo naturalmente, gli scienziati hanno cercato per anni di sviluppare un modo efficiente per farlo. Ora alcuni hanno progettato un enzima naturale per scomponerlo, il che potrebbe alla fine rendere possibile l'uso della lignina per nylon, bioplastiche e persino fibra di carbonio.

La produzione di dispositivi elettronici complessi richiede sostanze tossiche, rare e non rinnovabili e genera oltre 50 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici ogni anno. Simon Vecchioni, che ha recentemente difeso il suo dottorato di ricerca in ingegneria biomedica alla Columbia University, sta usando la biologia sintetica per produrre nanofili e reti di DNA come alternativa alla tecnologia dei dispositivi al silicio.

Vecchioni ha ordinato il DNA sintetizzato da un'azienda, lo ha usato per creare il suo BioBrick personalizzato, un pezzo circolare di DNA, e lo ha inserito nel batterio E.coli, che ha creato copie del DNA. Quindi tagliò una parte del DNA e vi inserì uno ione d'argento, trasformando il DNA in un conduttore di elettricità. La sua prossima sfida è trasformare i nanofili di DNA in una rete. I nanofili di DNA potrebbero un giorno sostituire i fili realizzati con metalli preziosi come oro, argento (che Vecchioni utilizza solo su scala atomica), platino e iridio, e la loro capacità di "autoassemblarsi" potrebbe eliminare l'uso dei prodotti chimici di lavorazione tossici usato per incidere il silicio.

“Una tecnologia per la fabbricazione di circuiti elettrici su scala nanometrica potrebbe trasformare l'industria elettronica. I batteri sono fabbriche su microscala e il DNA è un materiale biodegradabile", ha affermato. "Se avremo successo, possiamo sperare di produrre elettronica pulita, economica e rinnovabile per l'uso da parte dei consumatori".

La produzione di cemento (un ingrediente chiave del calcestruzzo) è responsabile di circa l'otto per cento delle emissioni globali di gas serra a causa dell'energia necessaria per estrarre, trasportare e preparare le materie prime. bioMASON in North Carolina fornisce un'alternativa mettendo sabbia in stampi e iniettandovi batteri, che vengono poi alimentati con ioni di calcio nell'acqua. Gli ioni creano un guscio di carbonato di calcio con le pareti cellulari dei batteri, facendo aderire le particelle. Un mattone cresce in tre o cinque giorni. I mattoni di bioMASON possono essere personalizzati per brillare al buio, assorbire l'inquinamento o cambiare colore quando sono bagnati.

Vestirsi in modo più sostenibile

Il fast fashion ha un impatto disastroso sull'ambiente a causa delle tinture e delle finiture dei tessuti, dell'uso di combustibili fossili e dell'inquinamento da microfibre. Circa tre quarti dell'acqua utilizzata per la tintura finisce come acque reflue tossiche e oltre il 60% dei tessuti è realizzato in poliestere e altre fibre a base di combustibili fossili che rilasciano microfibre quando vengono lavate, inquinando le nostre acque.

Stabilimento tessile in Bangladesh Foto: NYU Stern BHR

L'azienda francese Pili sintetizza enzimi che possono essere adattati per produrre colori diversi, quindi li integra nei batteri. I batteri sono quindi in grado di creare pigmenti. La tintura di Pili è prodotta senza prodotti petroliferi o prodotti chimici e utilizza un quinto dell'acqua dei normali coloranti.

La seta di ragno, considerata uno dei materiali più resistenti in natura, è elastica, resistente e morbida. Bolt Threads, con sede a San Francisco, ha studiato il DNA dei ragni per capire cosa conferisce alla seta di ragno le sue caratteristiche speciali, quindi ha ingegnerizzato i geni di conseguenza e li ha inseriti nel lievito, che, dopo la fermentazione, produce grandi quantità di proteine ​​​​della seta liquide. La proteina della seta viene quindi filata in fibre, che possono essere trasformate in Microsilk rinnovabile.

I rischi di synbio

Negli Stati Uniti, i prodotti chimici e farmaceutici synbio sono principalmente regolati dal Toxic Substances Control Act del 1976. Altri prodotti e applicazioni commerciali synbio sono regolati dall'EPA, dal Dipartimento dell'Agricoltura e dalla FDA. Ma queste agenzie hanno la capacità e l'efficacia di monitorare la biologia sintetica con la stessa rapidità con cui si sta sviluppando e cambiando?

Poiché alcune applicazioni di synbio stanno iniziando a uscire dal laboratorio, ci sono preoccupazioni per i suoi potenziali rischi ambientali. Se un organismo ingegnerizzato, come quelli utilizzati nelle unità genetiche, viene rilasciato in natura, potrebbe rivelarsi più efficace delle specie esistenti in un ecosistema e diffondersi senza controllo?

Bostick ha notato che ogni progetto di biologia sintetica oggi è solitamente focalizzato su una modifica molto specifica. "Sta aggiungendo o alterando un singolo enzima, possibilmente inserendo una serie di enzimi in modo che possa fare una cosa", ha detto. "Molto raramente modifichi il resto dell'organismo, quindi non è fondamentale per il successo dell'organismo e non è probabile che diventi dilagante. Da un punto di vista scientifico, è difficile cambiare più di una cosa».

Inoltre, secondo Vecchioni, la maggior parte della ricerca sul synbio viene condotta da gruppi di studenti attraverso l'International Genetically Engineered Machine Competition di iGEM, e ogni progetto iGEM deve avere un componente di sicurezza, un modo per spegnere il gene o regolarlo se esce.

Un'altra preoccupazione è che la creazione o la modifica di organismi possa essere utilizzata per creare una malattia ai fini del bioterrorismo. Vecchioni ha spiegato che l'FBI è alla ricerca di questo. "Entrano gentilmente e dicono 'ciao, stiamo guardando'", ha detto. "Vanno anche alle conferenze e si assicurano che le persone siano intelligenti al riguardo". Ha aggiunto che anche le società di sintesi del DNA sono in allerta. "Hanno una libreria di noti pezzi di DNA pericolosi, quindi se provi a ordinare qualcosa che è noto per creare malattie in qualsiasi organismo, l'FBI verrà a bussare alla tua porta".

Una preoccupazione più recente è che gli istituti di ricerca abbiano iniziato a creare biofonderie, strutture che fanno molto affidamento sull'automazione e sull'intelligenza artificiale (AI) per migliorare e accelerare le loro capacità biotecnologiche. Jim Thomas, co-direttore esecutivo del gruppo ETC, che monitora le tecnologie emergenti, è preoccupato per le decine di migliaia di organismi che l'intelligenza artificiale viene utilizzata per creare. "Solleva una vera domanda di sicurezza perché se qualcosa va storto, potenzialmente non capisci perché è andato storto", ha detto Thomas. "Con l'intelligenza artificiale è un po' una scatola nera". Ha notato che la maggior parte degli esperti concorda sulla necessità di un processo per monitorare e valutare i nuovi sviluppi in synbio.

Nonostante i potenziali rischi di synbio, i suoi potenziali benefici per il pianeta sono enormi. E poiché il nostro ambiente è martoriato dagli impatti dei cambiamenti climatici e delle attività umane, dobbiamo esplorare tutte le opzioni. "Abbiamo bisogno di ogni possibile soluzione per arrivare anche a distanza alla grandezza del cambiamento di cui abbiamo bisogno per migliorare il nostro mondo", ha affermato Bostick.


Più veloce di un ordine di grandezza

Fare vaccini mRNA significa produrre RNA, un processo molto complesso che richiede diversi ingredienti altamente purificati. Innanzitutto, devi essere in grado di produrre plasmidi di DNA, i modelli su cui è costruito l'RNA.

"Questo passaggio è più o meno complesso quanto la creazione di un intero vaccino in primo luogo", dice Simone con una risata. “La buona notizia è che la produzione di plasmidi di DNA è già ben consolidata. E una volta che hai i modelli del DNA, è allora che l'incredibile velocità inizia a bussare alla tua porta".

Per capire quanto sia più veloce questo approccio, è necessario comprendere il normale ritmo di produzione del vaccino virale. Per iniziare la produzione di un vaccino virale, sono necessarie molte cellule animali, ognuna infettata da un virus indebolito (o morto).

Per alcuni vaccini, come quello contro la febbre gialla, queste colture cellulari vengono coltivate in uova di gallina (MOLTE uova di gallina). Per altri, come il vaccino contro la meningite A, le cellule vengono coltivate in un fermentatore (foto una pentola a pressione gigante in acciaio inossidabile).

In Vietnam, un tecnico di laboratorio dell'Institute of Vaccines and Medical Biologicals ispeziona le uova che verranno utilizzate per la produzione di vaccini. Foto: PERCORSO/Matthew Dakin.

Simone afferma che “anche con le moderne apparecchiature di fermentazione, il raggiungimento di una biomassa adeguata per iniziare la produzione di un vaccino virale richiede dalle quattro alle sei settimane. Una volta avviato, ogni ciclo di crescita e produzione potrebbe richiedere una settimana. Un vaccino a mRNA viene sintetizzato in pochi minuti”.

L'incredibile differenza di velocità è dovuta al fatto che i vaccini virali si basano sulla biologia delle cellule animali, mentre la produzione di RNA è un processo biochimico senza cellule eseguito con enzimi sintetici.

Il che ci porta agli altri ingredienti altamente purificati necessari per la produzione di RNA: i ribonucleotidi derivati ​​chimicamente. Questi sono i piccoli elementi costitutivi (potresti conoscerli come G, A, U, C) che l'RNA polimerasi sintetizza per creare il filamento desiderato di mRNA.


Capitolo 21 – Basi genetiche dello sviluppo

2. Descrivere la funzione naturale degli enzimi di restrizione.

3. Descrivere come vengono utilizzati gli enzimi di restrizione e l'elettroforesi su gel per isolare i frammenti di DNA.

4. Spiegare come la creazione di estremità adesive da parte degli enzimi di restrizione sia utile nella produzione di una molecola di DNA ricombinante.

5. Delineare le procedure per la produzione di vettori plasmidici e fagici.

6. Spiegare come vengono utilizzati i vettori nella tecnologia del DNA ricombinante.

7. Elencare e descrivere le due principali fonti di geni per la clonazione.

8. Descrivere la funzione della trascrittasi inversa nei retrovirus e spiegare come sono utili nella tecnologia del DNA ricombinante.

9. Descrivere come “geni di interesse” possono essere identificati con l'uso di una sonda.

10. Spiegare l'importanza della sintesi e del sequenziamento del DNA per gli studi moderni sui genomi eucariotici.

11. Descrivere come i batteri possono essere indotti a produrre prodotti genici eucariotici.

12. Elencare alcuni vantaggi per l'utilizzo del lievito nella produzione di prodotti genetici.

13. Elencare e descrivere quattro approcci complementari utilizzati per mappare il genoma umano.

14. Spiegare come l'analisi RFLP e la PCR possono essere applicate al Progetto Genoma Umano.

15. Descrivere come la tecnologia del DNA ricombinante può avere applicazioni mediche come la diagnosi di malattie genetiche, lo sviluppo della terapia genica, la produzione di vaccini e lo sviluppo di prodotti farmaceutici.

16. Descrivere come la manipolazione genetica ha applicazioni pratiche per l'agricoltura.

17. Descrivere come i geni delle piante possono essere manipolati utilizzando il plasmide Ti trasportato da Agrobacterium come vettore.

18. Spiegare come il DNA estraneo può essere trasferito nelle piante monocotiledoni.

19. Descrivere come sono regolamentati gli studi sul DNA ricombinante e l'industria biotecnologica per quanto riguarda la sicurezza e le questioni politiche.


Guarda il video: DNA 04: La replicazione Sintesi del DNA e modello animato 4K UHD (Agosto 2022).