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Archivos mensuales: enero 2018

Chloroplasts: vaccines antibodies

28 domingo Ene 2018

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Bioquímica, CIENCIA

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biopharmaceuticals, chloroplast genome, plastid, transgenic, vaccines

cloroplasto foto

Plant-made pharmaceuticals (PMPs), is a sub-sector of the biotechnology industry that involves the process of genetically engineering plants so that they can produce certain types of therapeutically important proteins and associated molecules such as peptides and secondary metabolites. The proteins and molecules can then be harvested and used to produce pharmaceuticals.
In recent biotechnological innovative era, chloroplasts have been explored for the expression of foreign proteins, industrially and pharmaceutically important compounds such as antibodies, growth factors, enzymes, hormones, cytokines, and antigens.
Transgenic chloroplasts are ideal bioreactors for production of functional human and animal therapeutic proteins in an environmentally friendly manner. Transgenic plants have been identified as promising expression systems for vaccine production. Complex plants such as tobacco, potato, tomato, and banana can have genes inserted that cause to produce vaccines usable for humans.

cloroplasto

 

Chloroplasts are organelles, specialized compartments, in pant and algal cells, present in leaves and other green parts that carry out photosynthesis. Chloroplasts have other functions including fatty acid synthesis, much amino acid synthesis, and the immune response in plants.
A chloroplast is a type of organelle known as a plastid, characterized by its two membranes and a high concentration of chlorophyll. Contain their own DNA, which is thought to be inherited from their ancestor- a photosynthetic cyanobacterium that was engulfed by an early eukaryotic cell. Chloroplasts cannot be made by the plant cell and must be inherited by each daughter cell during cell division.

 

 

List o Algal-produced vaccines in Pre-clinical studies:
• Foot-and-mouth disease
• Hepatitis B
• Classical swine fever virus
• White spot syndrome virus
• Staphylococcus aureus
• Malaria
• HPV

 
Algae as an expression system overcomes several challenges other recombinant vectors suffer from:
• Infectious diseases pose an increasing risk to health, especially in developing countries. Vaccines are available to either cure or prevent many of these diseases. Limitations related to these vaccines, mainly the costs. These costs are mainly related to production and purification of the products manufactured from fermenter-based systems. Plastid biotechnology has become an attractive platform to produce biopharmaceuticals in large amounts and cost-effectively. Plastids DNA in mature chloroplasts, a characteristic particularly important for vaccine production in large amounts. Green biofactories an attractive platform for vaccine production. The production of therapeutic proteins, including vaccines, often requires costly purification steps. The elimination of a purification procedure reduces the total cost of a recombination edible vaccine significantly.
• Algae as a plant microorganism is also relatively inexpressive to produce.
• Proteins expressed inside the chloroplast of algae do not undergo glycosylation, a form of posttranslational modification.

 

Transgenic plants offer many advantages:
• Low cost of production
• Storage and transportation
• Heat stability

 

cloroplasto DNA

Chloroplast genetic engineering offers several advantages:
• High levels of transgene expression
• Transgene containment via maternal inheritance
• Multi-gene expression in a single transformation event

 

 

Hyper-expression of vaccine antigens against: cholera, tetanus, anthrax, plague or canine parvovirus in transgenic chloroplasts or non-green plastids, as well as the availability of antibiotic-free selectable markers or the ability to excise selectable marker genes, facilitate oral delivery.
Hyper-expression of several therapeutic proteins: human serum albumin, somatotropin, interferon-gamma, anti-microbial peptide, facilitates efficient and economic purification.

 

 

There are mainly two methods that are used for plastid genome transformation:
• Polyethylene glycol (PEG)-mediated transformation
• Gene gun-mediated transformation
Integration of expression cassette in plastid genome takes place via homologous recombination. Highest expression for a vaccine antigen, which is 72% of TLP, was achieved by using insertion sites trn1 and trnA under the control of psba promoter with 5´ regulatory elements from psbA gene. Normally, revised medium for organogenesis of plants (RMOP) is used, supplemented with appropriate concentration of hormones to promote callogenesis and shooting. Complete transplastomic plants are regenerated under aseptic controlled conditions and acclimatized to green house for further growth.

 

The potential oral delivery of plant-based vaccines, which if possible in reality, will also greatly reduce the costs due to elimination of costly downstream processing. This feature is expected to further reduce costs at production level because more protein will be produced per kilogram weight of plant.

 

This characteristic of plastids to express many coding sequences as single operon can also be utilized to develop bivalent to multivalent vaccines, in which two or more vaccine antigens against different diseases can be co-expressed. Another advantage of using biological adjuvants and their direct coupling is potential safety and efficacy. Use of biological adjuvants will help to eliminate toxic chemical adjuvants such as aluminium hydroxide and aluminium phosphate which commonly cause many adverse side effects such as local irritation and carcinogenesis. Plant-based vaccines have the potential to be used for oral administration. Plants are safe for human consumption as plants are not host for human pathogens and many plant species such as lettuce are consumed in normal diet as raw.

 

 

History of edible algae vaccine:
In 2003: foot-and-mouth disease antigen complexed with the cholera toxin subunit B which delivered the antigen to digestion mucosal surfaces in mice. The vaccine was grown in C. reinhardtii algae.
In 2007: a classical swine fever virus (CSFV) was produced in C. reinhardtii, providing immunity in mice that were subcutaneously administered.

 

In 2012: pre-clinical trials in mice involving an edible algae based malaria vaccine were successful in a limited capacity.

Now the need is to investigate immunogenicity and safety of some prominent vaccine candidates in humans.

 

 

Bibliography:
• Production of biopharmaceuticals and vaccines in plants via the chloroplast genome

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17004305
• Plastids: The Green Frontiers for Vaccine Production
Mohammad T. Waheed, Hammad Ismail, Johanna Gottschamel, Bushra Mirza, and Andreas
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4646963/
• Chloroplast
Frederic P. Muller, Agnes F. Vandome, John ; Lap. Lambert. Academic Publishing; 2010

 

• Plant-produced Microbial Vaccines
Alexander V. Karasev; 2009

 

• Algae-based oral recombinant vaccines; Frontiers in Microbiology
Elizabeth A. Specht; Stephen P. Mayfield; 2014
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2014.00060/full
• Production of therapeutic proteins in algae, analysis of expression of seven human proteins in the chloroplast of Clamydomonas reinhardtii; Plant Biotechnology Journal,
Rasala, Beth A.; Muto, Machiko; Lee, Philip A.; Jager, Michal; Cardoso, Rosa M.F.; Behnke, Craig A.; Kirk, Peter; Hokanson, Craig A.; Crea, Roberto; Mendez, Michael; Mayfield, Stephen P. 2010
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2918638/

 

 

 

Relation links:

 

• PBVAB 2017 Plant-Based Vaccines Antibodies and Biologics European Comission
http://ec.europa.eu/research/index.cfm?pg=events&eventcode=8FBB0C1C-BE26-4BA0-BB51FE25B34AF9F7

 

• Engineering the Chloroplast Targeted Malarial Vaccine Antigens in Chlamydomonas Starch Granules

http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0015424

 

 

 

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Detección de enfermedades: sondas fluorescentes de óxido nítrico

20 sábado Ene 2018

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Bioquímica, CIENCIA

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óxido nítrico, Santiago Luis Lafuente, sonda fluorescente, triatilpirilio, Universitat Jaume I

flulorescente

 

En el estudio del metabolismo celular, ahora se pueden medir procesos relacionados con el grado de acidez o pH intracelular.

 

Investigadores de la Universitat Jaume I de Castellón (UJI) han diseñado, junto con científicos de la Universidad East Anglia (Reino Unido), una molécula fluorescente que mide el pH intracelular. La molécula emite luz fluorescente de mayor o menor intensidad según el grado de acidez de la muestra. Al tratarse de una pseudoproteína, es compatible con los organismos vivos. Investigación del “Grupo de Fotoquímica y Sensores” junto con el “Grupo de Química Sostenible” de la UJI y responsable de la investigación el catedrático de Química Orgánica Santiago Luis Lafuente.

 

El compuesto desarrollado por los investigadores de la UJI: derivados de TRIARILPIRILIO, permite detectar el óxido nítrico de forma más selectiva y eficiente, de gran utilidad para la industria médica y farmacéutica ya que el óxido nítrico está implicado en diversos procesos de bioquímica celular.

 

En la actualidad se conocen numerosas funciones del NO en los seres vivos, tanto en animales como en plantas. Se ha detectado NO en neuronas, macrófagos, hepatocitos, células de músculo liso, miocitos cardíacos, etc. La variedad de funciones del NO en seres vivos va desde:
• Neurotransmisor
• Sistemas de transducción intra e intercelulares
• Cardiovascular: control de la presión sanguínea
• Contracción del músculo cardíaco
• Movilidad gástrica
• Respiración
• Regulación de la contracción del músculo esquelético
• Regulación de la actividad plaquetaria
• Sistema inmunitario y neurológico: Párkinson o el Alzhéimer
• Agente antimicrobiano y antitumoral
• Procesos cancerígenos

 

Así resulta fundamental para la prevención y tratamiento de numerosas enfermedades, de gran utilidad en la industria médica y farmacéutica.
Cuenta con la ventaja de que:
• Es altamente selectivo, al no reaccionar con otros interferentes típicos que pueden encontrarse en el medio biológico (especialmente con el ácido deshidroascórbico ADHA), que suele ocurrir con muchas de las sondas de óxido nítrico actuales. Puede resultar de gran utilidad en la industria médica y farmacéutica.

 

• Gran versatilidad de síntesis, importante para seleccionar la molécula más apropiada según la fuente de excitación disponible, ya sea láser u otra fuente de luz.

 

• Las moléculas desarrolladas se obtienen mediante un procedimiento sencillo, que permite sintetizar gran cantidad de producto en pocos pasos y de forma económica a partir de productos comercialmente accesibles.

 

Fluorescencia Triarilpirilio

La presencia de óxido nítrico a nivel biológico se detecta actualmente mediante el uso de moléculas denominadas “sondas fluorescentes”, cuyo principal problema es que reaccionan con otros compuestos, dando falsos positivos.
Dichas sondas pertenecen a dos grupos principalmente:
a) Sondas basadas en complejos oganometálicos, las cuales al reaccionar con NO dan lugar a la aparición de fluorescencia.
b) Sondas basadas en un anillo aromático con dos grupos amina en posición orto. Este tipo de sondas reaccionan con NO en medio aeróbico para dar compuestos fluorescentes.

 

En un futuro sería interesante a nivel celular desarrollar nuevos sensores con gran potencial diagnóstico, el sensor de acidez podría llegar a utilizarse como una herramienta para el diagnóstico de cáncer, ya que las células tumorales presentan una mayor acidez que las normales. Sería deseable que la síntesis de la sonda se realizara en pocos pasos y con alto rendimiento mediante un método que permita introducir modificaciones estructurales.

 
El gas sencillo óxido nítrico (NO) es una molécula señalizadora paracrina fundamental en los sistemas nervioso, inmune y circulatorio. Es capaz de difundirse directamente a través de la membrana plasmática de sus células diana. En vez de unirse a un receptor que regule la transcripción, el NO altera la actividad de enzimas diana intracelulares.
El óxido nítrico se sintetiza a partir del aminoácido arginina mediante la enzima nítrico sintasa. Una vez sintetizado, el NO difunde fuera de la célula y puede actuar localmente afectando a células próximas. Su acción se restringe a estos efectos locales ya que el NO es extremadamente inestable, con una vida media de sólo unos pocos segundos. El NO difunde hasta las células vecinas del músculo liso donde reacciona con el hierro unido al centro activo de la enzima guanilato ciclasa. Esto aumenta la actividad enzimática, dando lugar a la síntesis del segundo mensajero GMP cíclico, el cual induce en la relajación de las células musculares y la dilatación de los vasos sanguíneos.

 

Los procedimientos químicos específicos pueden proveer información detallada acerca de la función de las células, los métodos histoquímicos y citoquímicos pueden tener su fundamento en la unión específica de un colorante, en la actividad inherente de un elemento constitutivo de las células. Muchos de estos procedimientos pueden usarse en preparados tanto para la microscopia óptica como para la microscopía electrónica. Los colorantes fluorescentes (fluorocromos) son sustancias químicas que absorben luz de longitudes de onda diferente y luego emiten luz visible de una longitud de onda específica (verde, amarillo, rojo).

 

Bibliografía:

 

• Luis Lafuente, Santiago Vicente; Burguete Azcarate, María Isabel; Altava Benito, Belén; “Introducción a la Química Orgánica”, Ed. Universitat Jaume I, 1997.

 

• Beltran, Alicia; Burguete Azcarate, María Isabel; Abánades, Daniel R; Pérez-Sala, Dolores; Luis Lafuente, Santiago Vicente; Galindo, Francisco;“Turn-on fluorescent probes for nitric oxide sensing based on the ortho-hydroxyamino structure showing no interference with dehydroascorbic acid” Chemical Communications, 2014
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cc/c3cc49555h#!divAbstract

 

• Michael H. Ross, PhD; Wojciech Pawlina, MD; “Histología”, Ed. Panamericana, 2013.

 

• Geoffrey M. Cooper; Robert E. HausMan; “La Célula”, Ed. Marban, 2016

 

Links relacionados:

• Instituto de Biología Integrativa de Sistemas. Valencia
https://www.uv.es/instituto-biologia-integrativa-sistemas-i2sysbio/es/investigacion/programas-investigacion/programa-biologia-sistemas-aplicada-biologia-sintetica/grupos-investigacion.html

 

• Fotoquímica y Sensores para Aplicaciones Ambientales y Biomédicas. Universitat Jaume I

http://www.uji.es/serveis/ocit/base/grupsinvestigacio/detall/?codi=266&p_idioma=es&antiguedad=10

 

• Fluorescencia Wikipedia

https://es.m.wikipedia.org/wiki/Fluorescencia

 

Un gen un enzima

13 sábado Ene 2018

Posted by José Félix Rodríguez Antón in Bioquímica, CIENCIA, Genética

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conversión de genes, Edward Tatum, fenotipo, Genética bioquímica, genotipo, George Wells Beadle, Neurospora crassa, Premio Nobel

gen enzima

A Edward L. Tatum, George W. Beadle y Joshua Lederberg les fue concedido el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1958 compartido por sus contribuciones al conocimiento del mecanismo genético, trabajos con los mutantes nutricionales de Neurospora crassa y por la formulación de la Hipótesis “un gen-una enzima”: hay una relación entre los genes y las enzimas que gobiernan los pasos metabólicos, de manera que la alteración en un gen produce el bloqueo de un determinado paso metabólico que está controlado por un enzima. Establece el modelo de relación entre el genotipo (los genes) y el fenotipo (rasgos externos).
El desarrollo y funcionamiento de un organismo consiste en un sistema integrado de reacciones químicas controladas por los genes. Estos genes controlan o regulan reacciones específicas al actuar como enzimas: genética fisiológica.

 

 
La primera mitad del siglo XX se desarrollaron las dos disciplinas base de la biología molecular: la genética y bioquímica. Uno de los principales estudios fue realizado por Beadle y Tatum en 1941. Demostraron esta correlación entre los genes y los enzimas a través de las rutas metabólicas que se dan en la síntesis de aminoácidos. Los procesos celulares pueden estudiarse como reacciones químicas.

 

 
Su hipótesis se basa en los estudios de nutrición de mutantes bioquímicos del moho rojo del pan Neurospora crassa, un tipo de molde de pan rojo del phylum Ascomyceta. . Un organismo haploide, con un solo juego de cromosomas, que en un determinado momento de su ciclo vital pasa por un estado diploide, con dos juegos de cromosomas, sufre la meiosis para originar las esporas sexuales. Su genoma completo de siete cromosomas ha sido secuenciado. Estos experimentos fundaron la ciencia llamada “genética bioquímica” convirtiéndose en genética molecular.

 

Ciclo neurospora

neurospora
Los mutantes nutricionales son incapaces de crecer en medios mínimos, mientas que las cepas normales de Neurospora pueden crecer en medios mínimos que contienen sustancias simples como azúcar, algunas sales y ácidos orgánicos, una fuente de nitrógeno (nitrato y tartrato amónicos) y la vitamina biotina. Se han establecido tres capas mutantes:
• Capacidad de sintetizar B6
• Capacidad de sintetizar la mitad de tiazol de la molécula B1
• Para-aminobenzoico no está sintetizado

 

 
Mutaciones provocadas experimentalmente por los rayos X. Las esporas irradiadas se hacían crecer en un medio mínimo. En el que solo crecían las esporas que carecen de alteraciones en las rutas metabólicas:
• las esporas normales (prototrofas)
• las esporas mutantes (auxótrofas) no generan hifas.

 

 
Cada espora se ponía a crecer en un medio completo y se cruzaba por una estirpe normal. El siguiente paso consistía en averiguar el paso metabólico volqueado de cada estirpe mutante. Para ello tomaban esporas individuales (normales y mutantes) descendientes de los cruzamientos y las crecían:
a) primero en medio completo para multiplicarlas
b) replicaban las muestras en medio mínimo (solo crecen las normales), identificando como mutantes las cepas que no crecen en el medio mínimo
c) Las estirpes mutantes se sembraban:
– Medio mínimo
– Medio mínimo suplementado con todas las vitaminas
– Medio completo

Experimento neurospora
De esta manera se identifica si el paso bloqueado pertenecía a alguna ruta de síntesis de aminoácidos o de vitaminas. Si la estirpe mutante solo crecía en el medio completo y en el suplementado con todos los aminoácidos, deducían que el bloqueo se encontraba en alguna ruta de síntesis de aminoácidos. Posteriormente, crecían la cepa mutante en medio mínimo y en medios suplementaos con cada uno de los 20 aminoácidos. Así identificaban el aminoácido que no podían sintetizar y que necesitaban para crecer.

 

 
Supusieron que cada mutante tenía un paso metabólico bloqueado distinto. Supusieron que cuando se suplementa el medio mínimo con un compuesto posterior al punto de bloqueo el mutante puede producir el compuesto final y crecer, mientras que si se suplementa con un compuesto anterior al punto de boqueo no puede crecer.
Cuantos menos mutantes crecen con una sustancia, tanto más hacia el principio de la ruta estará esa sustancia.

 

 

 

Precursor…………arginina 1…….Ornitina……….arginina 2…….Citrulina….arginina 3.….Arginina
El mutante arginina1 debe estar bloqueado en un paso anterior a ornitina, ya que crece con todas las sustancias posteriores (Ornitina, Citrulina y Arginina)
El bloqueo de una reacción o paso de una ruta metabólica, por falta de enzima o fallo en el funcionamiento del enzima que controla ese paso , produce la acumulación en las células del compuesto inmediatamente anterior al paso alterado.

 

 

 

Neurospora crassa es muy útil para el estudio de eventos genéticos que ocurren en meiosis individuales. Los estudios de este tipo, establecieron el fenómeno de la “conversión de genes” cuando ocurre un evento de recombinación molecular cerca de los marcadores genéticos en estudio, los estudios sobre la conversión de genes permitieron conocer los detalles del mecanismo molecular de recombinación. La comprensión de la recombinación es interesante en problemas biológicos, como en la recombinación y reparación recombinatoria en el cáncer (BRCA1) y la función adaptativa de la meiosis.

 

 

George Wells Beadle
Estudio Ciencias en la Universidad de Nebraska, comenzó a trabajar en el Instituto de Tecnología de Caliornia en 1936, fue profesor adjunto de Genética de la Universidad de Harvard y de Stanford. En 1956 presidió la American Association for the Advancement of Science (AAAS). Falleció en 1989.

 

 

Edward Lawrie Tatum
Biólogo y químico estadounidense, estudió Química, Biología y Microbiología en Chicago y Wisconsin, doctorándose en nutrición y metabolismo de las bacterias. A partir de 1957 trabajó de profesor en el Instituto Rockefeller de Nueva York. Falleció en 1975.

 

 

Joshua Lederberg
Medico estadounidense, estudió Medicina en la Universidad de Columbia, en Nueva York. Trabajó como profesor de Genética en la Universidad de Wisconsin-Madison, fue nombrado director del Departamento de Genética de la Universidad de Stanford y director de los laboratorios Kennedy de Biología Molecular. Falleció en 2008.

 

 

Bibliografía:

• Beadle GW, Tatum, EL; “Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora”; Proc. Natl. Acad. Sci USA; 1941

Haz clic para acceder a pnas01634-0009.pdf

 

• Adriana María Salazar Montes, Ana Soledad Sandoval Rodríguez, Juan Socorro Armendáriz Borunda; “Biología Molecular. Fundamentos y aplicaciones en las ciencias de la salud”, 3ª edición, Ed. Mc. Graw Hill; 2016

 

• Carlos Beas, Daniel Ortuo, Juan Armendáriz; “Biología Molecular. Fundamentos y aplicaciones”, Ed. Mc Graw Hill; 2009.

 

Links relacionados:

 

• Fungal Genetics Stock Center
http://www.fgsc.net/

 

• Ingeniería molecular de enzimas. IATA
https://www.iata.csic.es/es/colaboracion/capacidades-de-los-grupos-de-id/ingenier%C3%ADa-molecular-de-enzimas

 

 

 

 

 

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