De los géiseres a las pruebas de COVID: las contribuciones cruciales de la investigación básica

En mis paseos por Chicago, paso por docenas de sitios de prueba de COVID-19 que atraen a las personas con carteles que dicen «Pruebas de PCR». Si bien el estatus de estrella dorada de la PCR en la investigación científica estaba bien establecido antes de la pandemia, desde entonces se ha abierto camino desde el lenguaje científico hasta la lengua vernácula común.

La adaptación médica de la PCR para las pruebas de COVID-19 muestra el camino que puede recorrer la investigación científica. Los descubrimientos comienzan con una base en la investigación básica, un tipo de investigación que tiene como objetivo descubrir las propiedades fundamentales que hacen posible la vida. Una vez que se comprenden mejor estos hechos básicos, la investigación traslacional utiliza esos principios para desarrollar nuevas tecnologías para mejorar la vida humana. La innovación científica continua requiere el apoyo de la investigación básica para ampliar aún más nuestro conocimiento del mundo natural.

La PCR, o reacción en cadena de la polimerasa, es una herramienta principal en la investigación biológica que imita el proceso natural de hacer copias de material genético, pero en lugar de tener lugar en una célula, logra este proceso en un tubo de ensayo. Específicamente, la PCR amplifica fragmentos de ADN relativamente pequeños. Fue un invento revolucionario para la investigación científica porque permite a los científicos amplificar pequeñas cantidades de material genético de interés para producir suficiente material genético para una gran cantidad de experimentos.

La prueba de COVID-19 determina si hay algún material genético específico del virus SARS-CoV2 en una muestra de un paciente. La muestra pasa por un proceso que convierte el material genético del virus, el ARN, en una secuencia de ADN correspondiente. Luego, la muestra se somete a una prueba de PCR, que detecta si este ADN viral está presente y hace suficientes copias para registrar un resultado positivo en la prueba.

La PCR utiliza calor para desenrollar la hélice bicatenaria del ADN en una única hebra lineal de ácidos nucleicos. Los nucleótidos, los componentes individuales del ADN, se presentan en cuatro tipos diferentes: cisteína (C), guanina (G), adenosina (A) y tirosina (T). C y G se unen mientras que A y T son socios. Durante el proceso de PCR, los ácidos nucleicos de una cadena se combinan con sus componentes básicos de ácidos nucleicos complementarios.

Si se los deja solos, los ácidos nucleicos se unen a sus parejas con bastante lentitud. Pero introduce una enzima, un catalizador biológico, y las reacciones se aceleran. La PCR utiliza una enzima resistente al calor llamada Taq polimerasa como compañero para unir los ácidos nucleicos a lo largo del patrón de una sola hebra con sus socios de unión, creando una nueva doble hebra de material genético. La nueva hélice de doble hebra se puede separar nuevamente con calor, creando aún más hebras a las que se puede unir la enzima. Cuando la cadena complementaria de la secuencia original se compara con sus ácidos nucleicos asociados, se regenera la cadena original. Este ciclo continúa muchas veces, copiando una hebra en millones.

La Taq polimerasa, el caballo de batalla de la PCR, fue descubierta en un lugar improbable hace más de 50 años. Esta enzima fue descubierta en 1969 por un equipo de investigación que estudiaba las bacterias que viven en los géiseres burbujeantes y calientes del Parque Nacional de Yellowstone. A altas temperaturas, las enzimas que permiten las reacciones biológicas de la vida pueden volverse inactivas, como cuando freír un huevo desactiva las proteínas de la clara, volviéndolas de claras a blancas. Los investigadores descubrieron que estas bacterias amantes del calor tenían enzimas especializadas que estaban activas incluso a altas temperaturas, lo que las hacía compatibles en procesos que requieren calor, como el desenredado del ADN.

En 1983, el Dr. Kary Mullis inventó la PCR moderna combinando el conocimiento previo de las propiedades conocidas del ADN con el descubrimiento de la enzima polimerasa Taq resistente al calor en Yellowstone. Casi diez años después, Mullis recibió el Premio Nobel de Química por su invento. Los investigadores de Yellowstone probablemente nunca imaginaron que hurgar en los géiseres conduciría a una tecnología tan revolucionaria. La búsqueda del equipo de una comprensión básica de cómo era posible la vida a altas temperaturas allanó el camino para la aplicación traslacional de Mullis.

Para iniciar una investigación traslacional en curso, debemos continuar ampliando nuestro conocimiento fundamental. Como doctorado. Como estudiante del Programa de Posgrado en Biomedicina Driskill de la Universidad Northwestern, realizo investigaciones básicas que determinan cómo crece y se desarrolla el tejido epitelial. El epitelio es una fina lámina de células que recubre los órganos, que actúa como barrera y compartimenta el cuerpo. La piel es el ejemplo más famoso de tejido epitelial, que recubre todo el cuerpo y lo protege de los elementos externos.

Utilizo piel de embrión de rana en desarrollo para estudiar el crecimiento epitelial. La piel del embrión de rana es como el epitelio que recubre los pulmones y las trompas de Falopio en el sentido de que también contiene células multiciliadas (MCC). Los CCM son células que tienen más de 100 apéndices parecidos a pelos llamados cilios que sobresalen de la superficie, como una anémona de mar surrealista. En los pulmones, los cilios empujan la mucosidad hacia abajo para proteger nuestros órganos respiratorios; En las trompas de Falopio, los cilios guían los óvulos hacia las trompas.

Los MCC se incorporan al epitelio mediante un proceso llamado intercalación radial. Los CCM comienzan a desarrollarse debajo de la superficie y presionan hacia arriba entre las células vecinas para unirse al epitelio externo, como Kelly’s Child’s Destiny y Michelle surgiendo de debajo del escenario para unirse a Beyoncé en la Superbowl.

Para ingresar al epitelio, los CCM tienen que saltar una carrera de obstáculos de proteínas de unión estrecha que son responsables de convertir el epitelio en una barrera. El objetivo de mi investigación es comprender la comunicación entre las MCC y sus células vecinas que permiten el acceso de las MCC al epitelio.

Mi programa de investigación está asociado con la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern debido a sus aplicaciones traslacionales en el campo médico. Si bien puede parecer exagerado combinar el estudio de la piel de embriones de ranas con la prevención de la metástasis del cáncer o el desarrollo de órganos sintéticos, no está tan lejos. Las células cancerosas también se intercalan radialmente entre las células para ingresar al torrente sanguíneo y diseminarse por todo el cuerpo. De manera similar, comprender cómo responden las proteínas de unión al estrés en el epitelio podría ayudar a los científicos a dar forma a láminas planas de células epiteliales en miniórganos tridimensionales, cultivados en el laboratorio para futuros trasplantes.

La investigación básica puede parecer ciencia por la ciencia. Sin embargo, la riqueza de conocimientos que se puede obtener de dichas investigaciones tiene el potencial de estimular descubrimientos revolucionarios que mejoren enormemente nuestras vidas. A veces, un viaje que comienza con la prueba de la presencia de vida biológica en un géiser caliente puede terminar en sitios de prueba de COVID-19 basados ​​en PCR en Chicago.

La publicación De los géiseres a las pruebas de COVID: las contribuciones cruciales de la investigación básica apareció por primera vez en el Illinois Science Council.

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