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¿Cómo se producen en masa las vacunas?

¿Cómo se producen en masa las vacunas?


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Tengo experiencia en diseño de productos y, por lo tanto, estoy familiarizado con cómo la mayoría las cosas se producen en masa: alimentos, máquinas, etc. Pero he podido encontrar muy poca información sobre cómo se producen las vacunas en masa.

Parece que hay 4 tipos de vacunas, todas las cuales incluyen partes o subproductos del virus que pretenden contrarrestar.

Si está produciendo miles de millones de vacunas, imagino que necesita una gran cantidad del virus.

¿Cómo se obtiene tal masa de virus? ¿Simplemente llenan los tanques con un agente de cultivo y una muestra del virus y esperan a que crezca, como una placa de Petri gigante? ¿Hay grandes cubas de coronavirus en las fábricas en algún lugar?


Según Wikipedia, normalmente cuando se necesita una gran cantidad de virus, se cultiva en un entorno celular controlado. Esto solía ser huevos, pero en su lugar se está moviendo hacia cultivos celulares. Así que básicamente sí, fábricas llenas de virus (aunque más bien en biorreactores discretos agradables que en grandes cubas aptas para Joker).

Las vacunas sintéticas, como las vacunas de ARNm para COVID, no necesitan este paso en absoluto, ya que en realidad no usan el virus, pero se pueden realizar a través de reacciones bioquímicas libres de células que replican el ARNm directamente.


Las vacunas son importantes, pero ¿qué son y cómo funcionan?

Decir que la pandemia de COVID-19 ha afectado nuestras vidas sería quedarse corto. Desde marzo, cuando se implementaron por primera vez las órdenes de quedarse en casa, muchos de nosotros hemos pasado nuestro tiempo en nuestros hogares, evitando multitudes, usando máscaras, distanciamiento social y trabajando de forma remota, a menudo mientras cuidamos o educamos a los niños en el hogar.

A pesar de todo esto, el virus continúa propagándose y nuestras vidas están lejos de ser normales. Y mientras avanza la investigación sobre terapias y tratamientos para COVID-19, todavía no hay ninguno que pueda prevenir enfermedades graves.

Nos han dicho que una vacuna que brinda protección total contra el SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19, ofrece la mejor oportunidad para volver a la normalidad. Conseguir uno permitiría a las personas seguir con su vida diaria, libres de la preocupación de infectarse, así como de la necesidad de distanciarse socialmente y usar máscaras.

Idealmente, una o más de las muchas vacunas COVID-19 en desarrollo demostrarán ser efectivas. Pero incluso una vacuna que ofrece una inmunidad menos que completa retardaría la propagación del virus y podría reducir la gravedad de la enfermedad. En esta línea, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) anunció en julio que aprobaría cualquier vacuna que demostrara al menos un 50% de eficacia contra el coronavirus.

Todo esto puede resultar confuso y frustrante para aquellos de nosotros que simplemente estamos tratando de poner un pie delante del otro durante esta pandemia. Y la confusión que rodea a las vacunas COVID-19 puede verse agravada por el aumento en los informes sobre ellas: los ensayos, su eficacia y su seguridad.

Con esto en mente, Yale Medicine ofrece este manual sobre los conceptos básicos de las vacunas: cómo funcionan, sus diferentes plataformas y el proceso de aprobación, y lo que eso significa para una vacuna COVID-19.


La promesa del cultivo celular en el desarrollo de vacunas

Las esperanzas de desarrollar poliovirus en el laboratorio sin el uso de animales vivos impulsaron a muchos de los investigadores en las décadas de 1930 y 1940. Los cultivos celulares implican el crecimiento de células en una placa de cultivo, a menudo con un medio de crecimiento de apoyo como el colágeno. Ofrecen un nivel de control que no estaba disponible con animales vivos y también pueden apoyar la producción de virus a gran escala. (Para obtener más información sobre cultivos celulares y líneas celulares, así como líneas celulares elaboradas con células humanas, consulte nuestro artículo “Cepas de células humanas en el desarrollo de vacunas”). Sin embargo, los primeros esfuerzos para cultivar poliovirus en cultivo fracasaron repetidamente.

En 1936, Albert Sabin y Peter Olitsky del Instituto Rockefeller cultivaron con éxito poliovirus en un cultivo de tejido cerebral de un embrión humano. El virus creció rápidamente, lo cual era prometedor, pero a Sabin y Olitsky les preocupaba usar esto como material de partida para una vacuna, por temor a dañar el sistema nervioso de los receptores de la vacuna. Intentaron hacer crecer poliovirus en cultivos utilizando tejido que se había tomado de otras fuentes, pero no tuvieron éxito.


Ejemplos de producción de vacunas

Virus inactivado (influenza)

La vacuna contra el virus de la influenza para uso intramuscular es una suspensión estéril preparada a partir de los virus de la influenza propagados en embriones de pollo. Esta vacuna es el método principal para prevenir la influenza y sus complicaciones más graves. 13

Por lo general, la vacuna contra la influenza contiene dos cepas de virus de influenza A (H1N1 y H3N2) y un solo virus de influenza B. Se agregó una cepa adicional del virus de la influenza B, con la primera vacuna que contiene cuatro antígenos autorizada en 2012. 14 Los dos virus de tipo A se identifican por sus subtipos de hemaglutinina y neuraminidasa. Las glicoproteínas hemaglutinina y neuraminidasa del virus de la influenza A comprenden las principales proteínas de superficie y los principales antígenos inmunizantes del virus. Estas proteínas se insertan en las envolturas virales como proyecciones de líneas de púas en una proporción de aproximadamente 4 & # x02009: & # x020091. 15

La vacuna de subunidad trivalente es la vacuna contra la influenza predominante que se usa en la actualidad. Esta vacuna se produce a partir de cepas virales que la Organización Mundial de la Salud, los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) y el CBER identifican a principios de cada año. Para los fabricantes con licencia de EE. UU., Las cepas virales normalmente se adquieren de CBER o CDC. Las cepas europeas son proporcionadas típicamente por el Instituto Nacional de Estándares y Control Biológicos, y las cepas del Hemisferio Sur por la Administración de Productos Terapéuticos de Australia. Estas cepas virales se utilizan para preparar bancos de células en cada fabricante, que en última instancia se utilizan como inóculos para la producción de vacunas.

El sustrato más utilizado por los productores de la vacuna contra la influenza es el huevo de gallina embrionado de 11 días. Se recibe un virus monovalente (suspensión) del CBER o del CDC. La suspensión de virus monovalente se pasa a los huevos. Los huevos inoculados se incuban durante un tiempo y régimen de temperatura específicos bajo humedad relativa controlada y luego se recolectan. En la Unión Europea, el número de pasajes de la muestra original es limitado. Los fluidos alantoideos recolectados, que contienen el virus vivo, se analizan para determinar su infectividad, título, especificidad y esterilidad. Estos fluidos luego se almacenan congelados en húmedo a temperaturas extremadamente bajas para mantener la estabilidad del virus semilla monovalente (MSV). 16 Este MSV también está certificado por CBER.

Una vez que el MSV se introduce en el huevo mediante inoculadores automáticos, el virus se cultiva a temperaturas de incubación y luego el líquido alantoideo se recolecta y se purifica mediante centrifugación a alta velocidad en un gradiente de sacarosa o mediante cromatografía. El virus purificado a menudo se divide con un detergente antes de la filtración final. El virus se inactiva con formaldehído antes o después del paso de purificación primaria, según el fabricante. Esto se repite para tres o cuatro cepas de virus, y los concentrados virales inactivados probados y liberados individualmente se combinan y diluyen hasta la concentración final de la vacuna. La figura 5.2 describe el proceso general.

Flujo del proceso de fabricación de la vacuna contra la influenza a base de huevo.

CBER, Centro de Evaluación e Investigación Biológica (de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU.) QA, control de calidad de garantía de calidad, control de calidad.

La vacuna de virus inactivado descrita anteriormente se usa para la mayoría de las vacunas contra la influenza que se producen y venden en la actualidad. En los últimos años, la vacuna antigripal inactivada producida en cultivos de células de mamíferos ha sido aprobada en varios países. El proceso reemplaza la expansión del virus a base de huevo con una línea celular certificada; los procesos posteriores son similares, pero se centran en eliminar la proteína y el ADN de la célula huésped por debajo de los umbrales designados. También se ha aprobado en los Estados Unidos una vacuna recombinante contra la influenza, producida en células de insectos infectadas con un baculovirus recombinante para expresar la proteína hemaglutinina.

Proteína recombinante (hepatitis B)

En julio de 1986, se autorizó una vacuna recombinante contra la hepatitis B en los Estados Unidos. Esta vacuna se basó en el conocimiento de que el suero inactivado por calor que contenía el virus de la hepatitis B (VHB) y el antígeno de superficie de la hepatitis B (HBsAg) no era infeccioso, sino inmunogénico y parcialmente protector contra la exposición posterior al VHB. El 17 HBsAg fue el componente que confirió protección al VHB en la inmunización. 18 Para producir esta vacuna, el gen que codifica HBsAg, o gen & # x0201cS & # x0201d, se insertó en un vector de expresión que era capaz de dirigir la síntesis de grandes cantidades de HBsAg en Saccharomyces cerevisiae. Se ha demostrado que las partículas de HBsAg expresadas y purificadas a partir de las células de levadura son equivalentes al HBsAg derivado del plasma de la sangre de los portadores crónicos de hepatitis B. 17, 19, 20

El recombinante S. cerevisiae las células que expresan HBsAg se cultivan en fermentadores de tanque agitados. El medio utilizado en este proceso es un medio de fermentación complejo que consiste en un extracto de levadura, peptona de soja, dextrosa, aminoácidos y sales minerales. Las pruebas en proceso se llevan a cabo en el producto de fermentación para determinar el porcentaje de células huésped con la construcción de expresión. 7 Al final del proceso de fermentación, el HBsAg se cosecha mediante la lisis de las células de levadura. Se separa por interacción hidrofóbica y cromatografía de exclusión por tamaño. El HBsAg resultante se ensambla en partículas de lipoproteínas de 22 nm de diámetro. El HBsAg se purifica a más del 99% para obtener proteínas mediante una serie de métodos físicos y químicos. La proteína purificada se trata en tampón fosfato con formaldehído, se filtra de forma estéril y luego se coprecipita con alumbre (sulfato de potasio y aluminio) para formar una vacuna en masa adyuvada con sulfato de hidroxifosfato de aluminio amorfo. La vacuna no contiene ADN de levadura detectable, pero no puede contener más del 1% de proteína de levadura. 7, 19, 21 En una segunda vacuna recombinante contra la hepatitis B, el antígeno de superficie expresado en S. cerevisiae Las células se purifican mediante varios pasos fisicoquímicos y se formulan como una suspensión del antígeno absorbido en hidróxido de aluminio. Los procedimientos utilizados en su fabricación dan como resultado un producto que no contiene más del 5% de proteína de levadura. En su fabricación no se utilizan sustancias de origen humano. 20 Las vacunas contra la hepatitis B preparadas a partir de cultivos de levadura recombinantes no son infecciosas 20 y están libres de asociación con sangre y productos sanguíneos humanos. 19

Cada lote de vacuna contra la hepatitis B se prueba para determinar su seguridad, en ratones y cobayas, y su esterilidad. 19 Las pruebas de pureza e identidad del producto de control de calidad incluyen numerosos ensayos químicos, bioquímicos y físicos del producto final para asegurar una caracterización completa y una coherencia de lote a lote. Se pueden usar inmunoensayos cuantitativos que usan anticuerpos monoclonales para medir la presencia de altos niveles de epítopos clave en el HBsAg derivado de levadura. También se usa un ensayo de potencia en ratones para medir la inmunogenicidad de las vacunas contra la hepatitis B. La dosis eficaz capaz de seroconvertir el 50% de los ratones (ED50) es calculado. 21

Las vacunas contra la hepatitis B son suspensiones estériles para inyección intramuscular. La vacuna se suministra en cuatro formulaciones: pediátrica, adolescente / lactante de alto riesgo, adulto y diálisis.

Todas las formulaciones contienen aproximadamente 0.5 & # x0202fmg de aluminio (proporcionado como sulfato de hidroxifosfato de aluminio amorfo) por mililitro de vacuna. 19 La Tabla 5.2 resume los requisitos de las pruebas de CC para la liberación de la vacuna recombinante contra la hepatitis B.

TABLA 5.2

Requisitos de prueba para la liberación de la vacuna recombinante contra la hepatitis B

Tipo de pruebaEtapa de producción
Retención de plásmidosProducción de fermentación
Pureza e identidadProducto adsorbido a granel o producto a granel no adsorbido
EsterilidadProducto final a granel
EsterilidadContenedor final
Seguridad generalContenedor final
PirógenoContenedor final
PurezaContenedor final
PotenciaContenedor final

El CBER todavía libera la mayoría de las vacunas lote por lote, pero para varias vacunas ampliamente caracterizadas, como las vacunas contra la hepatitis B y el virus del papiloma humano (VPH), que se fabrican mediante procesos de ADN recombinante, este requisito se ha eliminado. El proceso de fabricación incluye una purificación significativa, y se caracterizan ampliamente por sus métodos analíticos. Además, la vacuna contra la hepatitis B tenía que demostrar un & # x0201ctrack record & # x0201d de seguridad, pureza y potencia continuas para calificar para esta exención. 7, 22

Vacuna conjugada (Haemophilus influenzae Tipo B)

La producción de Haemophilus influenzae El conjugado de tipo b (Hib) incluye la producción separada de polisacárido capsular a partir de Hib y una proteína transportadora como la proteína del tétanos de Clostridium tetani (es decir, toxoide tetánico purificado), proteína CRM de Corynebacterium diphtheriae, o complejo proteico de la membrana externa de Neisseria meningitidis.

El polisacárido capsular se produce en biorreactores industriales utilizando semillas aprobadas de Hib. Se recupera un intermedio crudo del sobrenadante de fermentación, usando un detergente catiónico. El material resultante se cosecha mediante centrifugación de flujo continuo. Luego, la pasta se resuspende en tampón y el polisacárido se disocia selectivamente de la pasta rota aumentando la fuerza iónica. A continuación, el polisacárido se purifica adicionalmente mediante extracción con fenol, ultrafiltración y precipitación con etanol. El material final se precipita con alcohol, se seca al vacío y se almacena a & # x0221235 & # x000b0ºC para su procesamiento adicional.

La proteína del tétanos se prepara en biorreactores utilizando semillas aprobadas de C. tetani. La toxina bruta se recupera del sobrenadante del cultivo mediante centrifugación en flujo continuo y diafiltración. A continuación, la toxina bruta se purifica mediante una combinación de precipitación fraccionada con sulfato de amonio y ultrafiltración. La toxina purificada resultante se desintoxica utilizando formaldehído, se concentra por ultrafiltración y se almacena entre 2 & # x000b0C y 8 ​​& # x000b0C para su posterior procesamiento.

El proceso de conjugación industrial se desarrolló inicialmente utilizando toxoide tetánico por un equipo encabezado por J.B. Robbins en el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas (NIAID), Bethesda, Maryland. 23

La preparación del conjugado es un proceso de dos pasos que implica: (a) la activación del polisacárido capsular de Hib y (b) la conjugación del polisacárido activado a la proteína del tétanos a través de un espaciador. La activación incluye la fragmentación química del polisacárido nativo a un objetivo de peso molecular especificado y el enlace covalente de la dihidrazida del ácido adípico. A continuación, el polisacárido activado se une covalentemente a la proteína del tétanos purificada mediante condensación mediada por carbodiimida usando 1-etil-3 (3-dimetilaminopropil) carbodiimida. La purificación del material conjugado se realiza para obtener moléculas conjugadas de alto peso molecular desprovistas de residuos químicos y proteína libre y polisacárido. A continuación, la masa del conjugado se diluye en un tampón apropiado, se introduce en viales de dosis unitaria y / o multidosis y se liofiliza.

Vacuna viva atenuada (sarampión)

El virus del sarampión, aislado en 1954, es parte del género Morbillivirus en la familia Paramyxoviridae. Las vacunas actuales se derivan de las cepas de Edmonston, Moraten o Schwarz. Estas vacunas han estado en el mercado desde la década de 1960 y en combinación (sarampión, paperas, rubéola [MMR]) desde la década de 1970. La vacuna final es una vacuna vírica viva atenuada que induce inmunidad en más del 90% de los receptores.

Para una vacuna contra el sarampión, la fabricación de la vacuna comienza con huevos de gallina embrionados libres de patógenos específicos que se incuban durante varios días. Los embriones se recogen y se tratan con tripsina para preparar los fibroblastos de embriones de pollo para el cultivo celular. Todas las operaciones se realizan bajo estrictas condiciones asépticas, realizadas por operadores bien capacitados.

Los cultivos celulares se cultivan en frascos rotativos utilizando sueros de terneros fetales y medios Hanks M199 para un crecimiento celular óptimo. Las células de fibroblastos de embriones de pollo se infectan más por la semilla de trabajo viral y se incuban durante varios días para el cultivo viral. Al final del cultivo viral, las células se rompen mediante lisis mecánica para liberar el virus. El virus se purifica mediante centrifugación y filtración y se almacena congelado. Después de la publicación de todas las pruebas de control de calidad, la vacuna se formula sola o con las vacunas contra las paperas y la rubéola y se liofiliza para obtener el producto estable. La vacuna se reconstituye justo antes de su uso.

Otros fabricantes usan diferentes sustratos celulares, por ejemplo, el Serum Institute of India usa células diploides humanas para fabricar su vacuna contra el sarampión (consulte http://www.seruminstitute.com/content/products/product_mvac.htm).

Partículas similares a virus y vacunas basadas en # x02013

Las vacunas virales tradicionales se basan en cepas de virus atenuados o en la inactivación de virus infecciosos. Las vacunas de subunidades basadas en proteínas virales expresadas en sistemas heterólogos han sido eficaces para algunos patógenos, pero a menudo han tenido poca inmunogenicidad debido a un plegamiento o modificación incorrectos. 24 Las partículas similares a virus (VLP) están diseñadas para imitar la estructura general de las partículas de virus y, por lo tanto, preservar la conformación antigénica nativa de las proteínas inmunogénicas. Se han producido VLP para una amplia gama de virus taxonómicamente y estructuralmente distintos y tienen características únicas potencial ventajas en términos de seguridad e inmunogenicidad sobre enfoques anteriores. 1 No se requiere atenuación o inactivación de las VLP, esto es particularmente importante ya que los epítopos se modifican comúnmente mediante tratamientos de inactivación. 25 Sin embargo, si se usa un vector viral (por ejemplo, baculovirus) como sistema de expresión, puede ser necesaria la inactivación si el proceso de purificación no puede eliminar la actividad viral residual.

Para que una VLP sea una vacuna candidata realista, debe producirse en un sistema de expresión seguro que sea fácil de escalar a una producción a gran escala 1 y mediante un proceso de purificación e inactivación que lo acompañe que mantendrá la estructura nativa y la inmunogenicidad y cumplirá los requisitos de las autoridades reguladoras globales de hoy. Varios sistemas de expresión fabrican VLP multiméricas, incluido el sistema de expresión de baculovirus (BVES) en células Sf9 y High Five, Escherichia coli, Aspergillus niger, Células de ovario de hámster chino, células hepáticas de función humana, células de riñón de hámster bebé, plantas transgénicas (papa, tabaco, soja), S. cerevisiae, Pichia pastoris, células de riñón embrionario humano 293 (HEK293) y callo de altramuz (un sistema de producción de células vegetales) con rendimientos que van desde 0.3 a 10 & # x0202f & # x000b5g / mL o tan alto como 300 a 500 & # x0202f & # x000b5g / mL con E. coli y HEK293 (purificado). 2

El BVES ha demostrado ser bastante versátil, demostrando la capacidad de preparar candidatos a vacunas para el virus del papiloma, calicivirus felino, virus de la hepatitis E, parvovirus porcino, virus de la anemia del pollo, circovirus porcino, SV40 (virus de los simios 40), poliovirus, virus de la lengua azul, rotavirus, hepatitis C virus, VIH, virus de inmunodeficiencia de simios, virus de inmunodeficiencia felina, virus de la enfermedad de Newcastle, coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo (SARS), virus de Hantaan, virus de la influenza A y virus de la bursitis infecciosa. 1

Muchos virus patógenos, como la influenza, el VIH y la hepatitis C, están rodeados por una envoltura, una membrana que consta de una bicapa lipídica derivada de la célula huésped, insertada con picos de glicoproteína del virus. Estas proteínas son el objetivo de los anticuerpos neutralizantes y son componentes esenciales de una vacuna. Debido a las propiedades inherentes de la envoltura lipídica, el ensamblaje de VLP en células de insectos para estas vacunas virales es un tipo de desafío técnico diferente al de los virus producidos con múltiples cápsides. 1 Para estos objetivos, la producción de VLP es una tarea desafiante porque puede ser necesaria la síntesis y el ensamblaje de una o más proteínas recombinantes. Este es el caso de las VLP del rotavirus, que es un virus de ARN con cápsides formadas por 1860 monómeros de cuatro proteínas diferentes. Además, la producción de la mayoría de las VLP requiere la expresión y el ensamblaje simultáneos de varias proteínas recombinantes, que, en el caso de RLP, deben ocurrir en una sola célula huésped. 26 La purificación de VLP también constituye una tarea particularmente desafiante. Las VLP son estructuras de varios nanómetros de diámetro y pesos moleculares en el rango de 10 6 & # x0202fDa. Además, para garantizar la calidad del producto, no es suficiente demostrar la ausencia de proteínas contaminantes, también es necesario demostrar que las proteínas están correctamente ensambladas en VLP.

La producción de VLP del VPH representa otro desafío. La proteína de la cápside principal de 55 kDa del VPH tipo 16, L1, cuando se produce en ciertos sistemas de expresión recombinantes como S. cerevisiae, puede formar VLP de forma irregular con una amplia distribución de tamaño. Estas VLP de VPH son inherentemente inestables y tienden a agregarse en solución. El desafío principal del desarrollo de la formulación de la vacuna contra el VPH fue la preparación de soluciones acuosas de VLP del VPH que son estables en una variedad de condiciones de purificación, procesamiento y almacenamiento. Al tratar las VLP del VPH mediante un proceso de desmontaje y reensamblaje, la estabilidad y la potencia in vitro de la vacuna se mejoran significativamente. Además, la inmunogenicidad in vivo de la vacuna también mejoró hasta aproximadamente 10 veces, como se muestra en los estudios de potencia en ratones. 27 El desensamblaje y reensamblaje de partículas también puede ser importante para eliminar las proteínas residuales del sistema de expresión o las células hospedadoras utilizadas en la producción y es un serio desafío de procesamiento, particularmente para las VLP envueltas.


Investigación de GE que desarrolla tecnología de vacuna de ADN para permitir una respuesta rápida a las enfermedades infecciosas

Niskayuna, NY - Un equipo de científicos de GE en GE Research en el norte del estado de Nueva York recibió un programa de dos años por $ 4.7 millones de DTRA, una agencia dentro del Departamento de Defensa de los EE. UU. (DOD), para desarrollar y demostrar la tecnología de vacunas de ADN que permitiría a la agencia y la comunidad médica responder más rápidamente a amenazas biológicas nuevas o emergentes.

"Cada hora, día, semana y mes que podemos ahorrar al desarrollar una vacuna en respuesta a una amenaza biológica nueva o emergente podría significar la diferencia entre salvar una vida, cientos de vidas o más", dijo John Nelson, científico principal sénior en el grupo de Biología y Física Aplicada de GE Research e investigador principal del programa DTRA. “El uso de nuestro tipo especial de ADN en la fabricación de vacunas es muy prometedor, pero aún debe probarse. Tenemos grandes esperanzas de poder abordar las brechas técnicas necesarias para allanar el camino para su uso futuro ”.

Gracias a los esfuerzos de Nelson y otros en el campo de la tecnología del ADN, se han realizado mejoras dramáticas durante la última década para acelerar la secuenciación del genoma del ADN y hacer que la tecnología sea más viable para su uso en el desarrollo de vacunas. La tecnología de secuenciación de ADN está mejorando rápidamente. “Hace 10 años costaba 50.000 dólares y se tardaba varias semanas en secuenciar un genoma humano completo. Hoy, por unos pocos miles de dólares, se puede hacer en menos de dos semanas ”, dijo Nelson. “Actualmente, en solo unos días podemos obtener la secuencia completa de cualquier patógeno nuevo por unos cientos de dólares”. Esto nos permite diseñar una nueva vacuna de ADN y sintetizar el ADN.

Cómo se fabrican las vacunas en la actualidad

Los procesos para crear vacunas para virus como la gripe son complejos y pueden llevar desde varios meses hasta un año. Este largo período de tiempo, a su vez, puede dificultar la creación de una vacuna eficaz. Nelson dijo: “Los virus como la gripe mutan o cambian en sus características a medida que se transfieren de una persona a otra. Hoy en día, las vacunas contra la influenza se desarrollan casi un año antes de la próxima temporada de influenza ". Nelson dijo: “Los científicos hacen todo lo posible para predecir cómo se verá la gripe y luego diseñar una versión del virus muerto para inyectar en los brazos de las personas. El problema es que cuando se administra, el perfil del virus de la gripe puede haber cambiado tanto que la vacuna no será tan eficaz para suprimir el virus. Es por eso que escuchas sobre personas que recibieron la vacuna contra la gripe, pero aún así contrajeron la gripe ".

Nueva tecnología de vacunas de ADN de GE

La tecnología de la vacuna de ADN se ha desarrollado durante las últimas dos décadas y actualmente se encuentra en ensayos clínicos en humanos. Sin embargo, el ADN utilizado en la versión actual se fabrica en células bacterianas y es muy complicado y costoso de purificar. GE ha tomado el proceso celular utilizado para producir ADN a partir de las células y lo ha trasladado a un método sin células para crear el ADN enzimáticamente.

El proceso comienza simplemente tomando un hisopo de la nariz de alguien para capturar la muestra que contiene el virus. El siguiente paso es enviar la muestra al laboratorio para secuenciar el virus e identificar los genes de las proteínas de superficie del virus. Una vez que tiene esos genes, crea un fragmento de ADN que proporcionará instrucciones sobre cómo expresar los genes en proteínas. Luego, esta sección de ADN se produce en masa utilizando el método GE y se formula en vacunas. Luego, esta vacuna de ADN se coloca en algunas células humanas (como una vacuna normal en la piel o el músculo) y se expresa durante unos días para producir las proteínas extrañas que preparan la respuesta inmunitaria del cuerpo contra el virus.

Junto con sus socios de investigación, Albany Medical Center, la Universidad de Washington, Profectus Biosciences y el Instituto de Investigación Médica de Enfermedades Infecciosas del Ejército de los Estados Unidos (USAMRIID), el equipo probará diferentes mecanismos de administración de vacunas para demostrar la efectividad de esta nueva forma de ADN. vacuna. Un enfoque novedoso consiste en administrar la vacuna a través de la piel mediante la tecnología de ultrasonido de GE.

“La capacidad de desarrollar vacunas en días, no en meses, cambiaría las reglas del juego en la forma en que la comunidad médica responde a las enfermedades contagiosas emergentes”, concluyó Nelson. "El enfoque sintético de GE para producir ADN también podría abrir nuevas oportunidades en otras áreas, incluido el tratamiento del cáncer y las enfermedades autoinmunes".

Acerca de GE Research

GE Research es el motor de innovación de GE donde la investigación se encuentra con la realidad. Somos un equipo de clase mundial de más de 1000 mentes científicas, de ingeniería y de marketing (más de 600 Ph. Ds), que trabajamos en la intersección de la física y los mercados, las tecnologías físicas y digitales, y en un amplio conjunto de industrias para ofrecer un cambio mundial. innovaciones y capacidades para nuestros clientes.


10.2 Biotecnología en medicina y agricultura

Es fácil ver cómo se puede utilizar la biotecnología con fines medicinales. El conocimiento de la composición genética de nuestra especie, la base genética de las enfermedades hereditarias y la invención de tecnología para manipular y corregir genes mutantes proporciona métodos para tratar enfermedades. La biotecnología en la agricultura puede mejorar la resistencia a enfermedades, plagas y estrés ambiental para mejorar tanto el rendimiento como la calidad de los cultivos.

Diagnóstico genético y terapia génica

El proceso de realizar pruebas para detectar posibles defectos genéticos antes de administrar el tratamiento se denomina diagnóstico genético mediante pruebas genéticas. En algunos casos en los que una enfermedad genética está presente en la familia de un individuo, se puede recomendar a los miembros de la familia que se sometan a pruebas genéticas. Por ejemplo, mutaciones en el BRCA Los genes pueden aumentar la probabilidad de desarrollar cánceres de mama y de ovario en mujeres y algunos otros cánceres en mujeres y hombres. Una mujer con cáncer de mama puede someterse a pruebas de detección de estas mutaciones. Si se encuentra una de las mutaciones de alto riesgo, sus parientes femeninas también pueden desear ser examinadas para esa mutación en particular, o simplemente estar más atentas a la aparición de cánceres. También se ofrecen pruebas genéticas para fetos (o embriones con fertilización in vitro) para determinar la presencia o ausencia de genes causantes de enfermedades en familias con enfermedades debilitantes específicas.

Conceptos en acción

Vea cómo se extrae el ADN humano para usos tales como pruebas genéticas.

La terapia génica es una técnica de ingeniería genética que algún día puede usarse para curar ciertas enfermedades genéticas. En su forma más simple, implica la introducción de un gen no mutado en una ubicación aleatoria del genoma para curar una enfermedad reemplazando una proteína que puede estar ausente en estos individuos debido a una mutación genética. El gen no mutado generalmente se introduce en las células enfermas como parte de un vector transmitido por un virus, como un adenovirus, que puede infectar la célula huésped y entregar el ADN extraño al genoma de la célula diana (Figura 10.8). Hasta la fecha, las terapias génicas han sido principalmente procedimientos experimentales en humanos. Algunos de estos tratamientos experimentales han tenido éxito, pero los métodos pueden ser importantes en el futuro a medida que se resuelvan los factores que limitan su éxito.

Producción de vacunas, antibióticos y hormonas

Las estrategias de vacunación tradicionales utilizan formas debilitadas o inactivas de microorganismos o virus para estimular el sistema inmunológico. Las técnicas modernas utilizan genes específicos de microorganismos clonados en vectores y producidos en masa en bacterias para producir grandes cantidades de sustancias específicas para estimular el sistema inmunológico. Luego, la sustancia se usa como vacuna. En algunos casos, como la vacuna contra la gripe H1N1, se han utilizado genes clonados del virus para combatir las cepas de este virus en constante cambio.

Los antibióticos matan las bacterias y son producidos naturalmente por microorganismos como los hongos. La penicilina es quizás el ejemplo más conocido. Los antibióticos se producen a gran escala cultivando y manipulando células fúngicas. Normalmente, las células fúngicas se han modificado genéticamente para mejorar los rendimientos del compuesto antibiótico.

La tecnología de ADN recombinante se utilizó para producir cantidades a gran escala de la hormona humana insulina en E. coli ya en 1978. Anteriormente, solo era posible tratar la diabetes con insulina porcina, que causaba reacciones alérgicas en muchos seres humanos debido a las diferencias en la molécula de insulina. Además, la hormona del crecimiento humano (HGH) se usa para tratar los trastornos del crecimiento en los niños. El gen HGH se clonó a partir de una biblioteca de ADNc (ADN complementario) y se insertó en E. coli células clonándolas en un vector bacteriano.

Animales transgénicos

Aunque varias proteínas recombinantes utilizadas en medicina se producen con éxito en bacterias, algunas proteínas necesitan un huésped animal eucariota para su procesamiento adecuado. Por esta razón, se han clonado y expresado genes en animales como ovejas, cabras, pollos y ratones. Los animales que se han modificado para expresar ADN recombinante se denominan animales transgénicos (Figura 10.9).

Varias proteínas humanas se expresan en la leche de ovejas y cabras transgénicas. En un ejemplo comercial, la FDA aprobó una proteína anticoagulante de la sangre que se produce en la leche de cabras transgénicas para su uso en humanos. Los ratones se han utilizado ampliamente para expresar y estudiar los efectos de mutaciones y genes recombinantes.

Plantas transgénicas

La manipulación del ADN de las plantas (creando organismos genéticamente modificados u OGM) ha ayudado a crear rasgos deseables como resistencia a enfermedades, herbicidas y plagas, mejor valor nutricional y mejor vida útil (Figura 10.10). Las plantas son la fuente de alimento más importante para la población humana. Los agricultores desarrollaron formas de seleccionar variedades de plantas con rasgos deseables mucho antes de que se establecieran las prácticas biotecnológicas modernas.

Las plantas transgénicas han recibido ADN de otras especies. Debido a que contienen combinaciones únicas de genes y no están restringidos al laboratorio, las plantas transgénicas y otros OGM son monitoreados de cerca por agencias gubernamentales para asegurar que sean aptas para el consumo humano y no pongan en peligro otras plantas y animales. Debido a que los genes extraños pueden diseminarse a otras especies en el medio ambiente, particularmente en el polen y las semillas de las plantas, se requieren pruebas exhaustivas para garantizar la estabilidad ecológica. Los alimentos básicos como el maíz, las papas y los tomates fueron las primeras plantas de cultivo en ser modificadas genéticamente.

Transformación de plantas utilizando Agrobacterium tumefaciens

En las plantas, los tumores causados ​​por la bacteria. Agrobacterium tumefaciens ocurren por transferencia de ADN de la bacteria a la planta. La introducción artificial de ADN en las células vegetales es más desafiante que en las células animales debido a la gruesa pared celular de las plantas. Los investigadores utilizaron la transferencia natural de ADN de Agrobacterium a una planta huésped para introducir fragmentos de ADN de su elección en la planta huésped. En la naturaleza, las enfermedades que causan A. tumefaciens tienen un conjunto de plásmidos que contienen genes que se integran en el genoma de la célula vegetal infectada. Los investigadores manipulan los plásmidos para transportar el fragmento de ADN deseado e insertarlo en el genoma de la planta.

El insecticida orgánico bacilo turingiensico

bacilo turingiensico (Bt) is a bacterium that produces protein crystals that are toxic to many insect species that feed on plants. Insects that have eaten Bt toxin stop feeding on the plants within a few hours. After the toxin is activated in the intestines of the insects, death occurs within a couple of days. The crystal toxin genes have been cloned from the bacterium and introduced into plants, therefore allowing plants to produce their own crystal Bt toxin that acts against insects. Bt toxin is safe for the environment and non-toxic to mammals (including humans). As a result, it has been approved for use by organic farmers as a natural insecticide. There is some concern, however, that insects may evolve resistance to the Bt toxin in the same way that bacteria evolve resistance to antibiotics.

FlavrSavr Tomato

The first GM crop to be introduced into the market was the FlavrSavr Tomato produced in 1994. Molecular genetic technology was used to slow down the process of softening and rotting caused by fungal infections, which led to increased shelf life of the GM tomatoes. Additional genetic modification improved the flavor of this tomato. The FlavrSavr tomato did not successfully stay in the market because of problems maintaining and shipping the crop.


Rapid-response technology could produce billions of vaccine doses fast enough to stop the next pandemic

James Swartz operating a bioreactor that his lab uses to grow cells from which cell extracts used for CFPS are prepared. Credit: Andrew Brodhead

Ever since the COVID-19 pandemic began more than a year ago, public health officials, scientists and policy leaders have struggled to contain the viral contagion that has claimed more than 2.4 million lives worldwide and caused global economic upheaval.

This should never happen again, says Stanford bioengineer James Swartz, who has spent more than a dozen years laying the groundwork for a novel vaccine technology designed to stop viral outbreaks by inoculating millions, indeed billions, of people within weeks.

Swartz praised the current COVID-19 vaccines as unprecedented scientific and medical achievements, developed as they were with unparalleled haste and global collaboration, but what he's proposing now is even more ambitious: a radically new vaccine design and ultrafast biomanufacturing process so effective that global herd immunity could be established before a pandemic could even start.

To make good on this promise, Swartz envisions a two-stage program. Stage one would involve making bioparticles designed to carry the active ingredient for the new vaccine, testing these delivery agents for safety and then stockpiling the bioparticles without a medical payload until a pandemic threatened. The beginning of stage two would resemble the process used to create current COVID-19 vaccines, with scientists racing to identify unique molecular fingerprints, or antigens, that can be used to target the dangerous virus. Only this time, there will be a rapid-response biomanufacturing system poised to load the antigens onto the bioparticles. That could make all the difference, Swartz said, and allow a rapid-response vaccine to potentially be tested for efficacy and transformed into billions of injection-ready doses within weeks.

But two big obstacles stand in the way. First, Swartz has based his approach on an only partially-proven technology called cell-free protein synthesis that represents a complete break with the bio-processing techniques that have been used to make protein medicines for the last 40 years. Second, his radical idea faces the harsh, economic realities of pharmaceutical development: though the rewards for success could prove extraordinary, the costs of taking the risky project from conception to injection have so far proven insurmountable. Swartz figures he needs $10 million now to fund more extensive animal experiments, that build on the preliminary work he has already done, in order to establish the likelihood of eventual success. Should those animal experiments provide a tentative green light, at least another $30 million would be required to carry out human clinical trials to test the safety and efficacy of trial vaccines. And should all of this go well over the next four or five years, Swartz would then have to convince pharmaceutical manufacturers to invest $250 million or more to build sufficient bio-processing capability to make good his plan to inoculate the world in a hurry when threats emerge.

"I've kept this project alive with my own personal money at times, but I've taken it about as far as I can alone," said Swartz. "I know my proposal is expensive and faces many unknowns, but the question we should ask is what will happen if we don't do this, or something like it, and the next pandemic catches us unprepared?"

Swartz's approach hearkens back to the 1960s when molecular biologists started conducting early DNA experiments to figure out how genes made proteins, the complex biomolecules that perform multiple functions inside cells. The experimental technique they used was a process called cell-free protein synthesis, or CFPS. Scientists identified the basic bio-machinery that cells use to make proteins, extracted these bare-bones components from cells and put them into test tubes. A CFPS system includes three components: a gene to direct the protein-making process bio-machines called ribosomes and chaperone molecules that have the dual purpose of assembling amino acids, like chains, to form proteins and then folding these protein chains into whatever shape the gene dictated and, finally, the CFPS process requires the bio-fuels ATP and GTP to provide power. By the 1970s and 1980s, as CFPS revealed more about how proteins are made, scientists learned how to splice genes into living cells to give their biomachinery the blueprints for making medicinal proteins. CFPS continued as a research tool, and biotech startups focused on turning live cells into medicine-making biofactories.

A cross-sectional illustration of stockpiled bioparticle without a medical payload (left) and a bioparticle that has been “activated” (right) by attaching antigens that mirror parts of a dangerous virus that the vaccine will protect against. Credit: Farrin Abbott

It was at this critical juncture, in 1981, that Swartz joined a fledgling firm called Genentech and learned how to make protein medicines in cells. His first project was helping the then-startup company produce human growth hormone (HGH), a protein secreted by the pituitary gland to stimulate the growth of bone and cartilage. Over the next 17 years, Swartz became adept at cell-based biotechnology, which involved splicing bits of human DNA into fast-growing bacterial or, sometimes, mammalian cells that were grown in large vats. As the gene-spliced cells multiplied, they made copies of medicinal proteins that could be harvested and purified for use. But Swartz also came to learn what could go wrong, particularly with the crucial step of folding proteins, origami style, into the precise shape needed to achieve their therapeutic purpose. "We had to control a chemical assembly process inside cells that weren't built to accommodate what we wanted to make," Swartz said. "If something went wrong in our process, we would end up with a vat of proteins that weren't folded properly and were useless."

He left Genentech to join the Stanford faculty in 1998 to reinvent biomanufacturing by, paradoxically, taking it back to the CFPS style of protein making, by putting the bare-bones protein-making machinery into vats rather than petri dishes. In 2003, Swartz's lab showed how industrial-scale CFPS systems could make and fold proteins more reliably and cost-effectively than prevailing cell-based technologies. He then co-founded a biotech startup that has licensed the CFPS process from Stanford and has used it to make four protein-based, cancer-fighting therapies that are in early-stage human clinical trials. The trials are a partial vindication for CFPS, but still shy of the full validation that would occur if or when the U.S. Food and Drug Administration approves bio-medicines made using his new approach.

Meanwhile, another event in 2003—the first SARS outbreak in China—got Swartz wondering whether CFPS might be useful for mass-producing vaccines. In 2008, he and former Stanford graduate student Brad Bundy co-authored a paper postulating that CFPS was "well suited for producing versatile protein-based nanoparticles"—VLPs (virus-like particles) for short—providing the intellectual framework for the two-stage, rapid response vaccine technology for which he now hopes to garner support. In a 2015 paper, his lab showed how to remodel and repurpose the inner shell of a common virus making a VLP that resembles a tiny soccer ball with spikes. The spikes are convenient attachment points for antigens and other molecular bells and whistles, making the VLP so obnoxious that the immune system regards any virus resembling it as an enemy, and creates antibodies to render the infectious invader incapable of attacking our cells.

Swartz has already conducted small-scale animal tests on the rapid response technology and had produced promising results when the new coronavirus caused the COVID-19 pandemic. Now his hope is to get the funding in place to test his approach in more animals, and then in humans, loading the VLPs with antigens to known viral infections for which no vaccine currently exists. One such candidate would be chikungunya, a mosquito-borne viral infection prevalent in Africa, Asia and India that causes fever and joint pain. These human trials would be designed to prove the safety of VLP delivered vaccines for people in general and demonstrate that this approach would be efficacious. Pending a successful outcome, Swartz would still have to persuade pharmaceutical companies to build CFPS production plants to stockpile billions of doses of VLPs ready for activation when it became necessary.

Swartz estimates all of that will take about six years. But with luck, that could still be enough time for his rapid-response technology to be ready before the next pandemic-grade virus hits. Things could proceed swiftly after that: Immunologists could identify an effective antigen within a couple of weeks. Biotech engineers could retrieve the stockpiled VLPs and hook the newly produced antigens onto the spikes. Since the prior clinical trials would have already proven the safety of VLP vaccines produced by CFPS, the new, pandemic-stopping vaccine could be given on a trial basis to high-risk individuals at the epicenter of the contagion, to further confirm safety and begin testing the efficacy of the antigen. In a best-case scenario, Swartz estimates that billions of doses could be produced within six weeks. Even if the response took twice as long as projected, he says it would still be at least five times faster than current COVID-19 vaccine development and production processes.

Swartz knows it's premature for biotech firms to undertake a project facing so many hurdles, and a stretch even for funding agencies to underwrite the considerable upfront costs of validating or negating his approach. But as he sees it, the current pandemic has proven the need for this new approach. Now is the time for bioengineers to retool the 40-year-old technology for making protein-based therapies. He is eager to complete the mission that brought him to Stanford more than two decades ago.

"If we have the will, this could be how we make sure that the world never has to suffer a pandemic like COVID-19 again," he said.


How are vaccines mass-produced? - biología

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PARA PUBLICACIÓN INMEDIATA
December 22, 2004

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INEXPENSIVE, MASS-PRODUCED GENES CORE OF SYNTHETIC BIOLOGY ADVANCES AT UH
Professor Xiaolian Gao’s Research Unlocks Potential for New Medications, Vaccines and Diagnostics

HOUSTON, Dec. 22, 2004 – Devices the size of a pager now have greater capabilities than computers that once occupied an entire room. Similar advances are being made in the emerging field of synthetic biology at the University of Houston, now allowing researchers to inexpensively program the chemical synthesis of entire genes on a single microchip.

Xiaolian Gao, a professor in the department of biology and biochemistry at UH, works at the leading edge of this field. Her recent findings on how to mass produce multiple genes on a single chip are described in a paper titled “Accurate multiplex gene synthesis from programmable DNA microchips,” appearing in the current issue of Nature, the weekly scientific journal for biological and physical sciences research.

“Synthetic genes are like a box of Lego building blocks,” Gao said. “Their organization is very complex, even in simple organisms. By making programmed synthesis of genes economical, we can provide more efficient tools to aid the efforts of researchers to understand the molecular mechanisms that regulate biological systems. There are many potential biochemical and biomedical applications.”

Most immediately, examples include understanding the regulation of gene function. Down the road, these efforts will improve health care, medicine and the environment at a fundamental level.

Using current methods, programmed synthesis of a typical gene costs thousands of dollars. Thus, the prospect of creating the most primitive of living organisms, which requires synthesis of several thousand genes, would be prohibitive, costing millions of dollars and years of time. The system developed by Gao and her partners employs digital technology similar to that used in making computer chips and thereby reduces cost and time factors drastically. Gao’s group estimates that the new technology will be about one hundred times more cost- and time-efficient than current technologies.

With this discovery, Gao and her colleagues have developed a technology with the potential to make complete functioning organisms that can produce energy, neutralize toxins and make drugs and artificial genes that could eventually be used in gene therapy procedures. Gene therapy is a promising approach to the treatment of genetic disorders, debilitating neurological diseases such as Parkinson’s and endocrine disorders such as diabetes. This technology may therefore yield profound benefits for human health and quality of life.

“The technology developed by Dr. Gao and her collaborators has the potential to make research that many of us could only dream about both plausible and cost effective,” said Stuart Dryer, chair of the department of biology and biochemistry at UH. “In my own research on neurological diseases, we’ve often wished we could rapidly synthesize many variations of large naturally occurring genes. The costs of current technology have prevented us from doing this, but Dr. Gao’s research will break down that barrier.”

This technology offers tremendous potential benefits, as synthetic genes could allow for development and production of safer, less toxic proteins that are currently used in disease treatment. It also could allow for production of large molecules that do not occur naturally, but that are needed for new generations of vaccines and therapeutic agents, including vaccines for HIV and other viral diseases. This technology also will facilitate development of new medications through the creation of humanized yet synthetic antibodies that could be especially useful in detection and treatment of infectious organisms that could be used by terrorists.

Gao’s co-authors include Erdogan Gulari and Xiaochuan Zhou from the University of Michigan and George Church of Harvard University. Gao, Gulari and Zhou are partners in Atactic Technologies, a company that produces and markets products for life sciences research. Atactic Technologies currently holds the license to this breakthrough technology, called picoarray gene synthesis. UH and the University of Michigan are co-holders of the patents to these DNA microchip technologies.

Prior to coming to UH in 1992, Gao was a senior investigator at Glaxo Research Laboratory and received her postdoctoral training at Columbia University, her doctorate from Rutgers University and bachelor of science from the Beijing Institute of Chemical Technology. She is an expert in nucleic acid chemistry, biomolecular nuclear magnetic resonance technology, structural biological chemistry and combinatorial chemistry. Research in her lab involves the interface of chemistry and biological sciences. Holding patents in biochip technologies, Gao is currently focusing on understanding the relationships of function and structure of complex genomes of humans and other species. Gao’s research has been funded by the National Institutes of Health, the Welch Foundation, the Texas Higher Education Coordinating Board, the National Foundation for Cancer Research, the Merck Genomic Research Institute and the Defense Advanced Research Projects Agency.

About the University of Houston
The University of Houston, Texas’ premier metropolitan research and teaching institution, is home to more than 40 research centers and institutes and sponsors more than 300 partnerships with corporate, civic and governmental entities. UH, the most diverse research university in the country, stands at the forefront of education, research and service with more than 35,000 students.


Inexpensive, Mass-produced Genes At Core Of Synthetic Biology Advances At UH

HOUSTON, Dec. 22, 2004 &ndash Devices the size of a pager now have greater capabilities than computers that once occupied an entire room. Similar advances are being made in the emerging field of synthetic biology at the University of Houston, now allowing researchers to inexpensively program the chemical synthesis of entire genes on a single microchip.

Xiaolian Gao, a professor in the department of biology and biochemistry at UH, works at the leading edge of this field. Her recent findings on how to mass produce multiple genes on a single chip are described in a paper titled "Accurate multiplex gene synthesis from programmable DNA microchips," appearing in the current issue of Nature, the weekly scientific journal for biological and physical sciences research.

"Synthetic genes are like a box of Lego building blocks," Gao said. "Their organization is very complex, even in simple organisms. By making programmed synthesis of genes economical, we can provide more efficient tools to aid the efforts of researchers to understand the molecular mechanisms that regulate biological systems. There are many potential biochemical and biomedical applications."

Most immediately, examples include understanding the regulation of gene function. Down the road, these efforts will improve health care, medicine and the environment at a fundamental level.

Using current methods, programmed synthesis of a typical gene costs thousands of dollars. Thus, the prospect of creating the most primitive of living organisms, which requires synthesis of several thousand genes, would be prohibitive, costing millions of dollars and years of time. The system developed by Gao and her partners employs digital technology similar to that used in making computer chips and thereby reduces cost and time factors drastically. Gao's group estimates that the new technology will be about one hundred times more cost- and time-efficient than current technologies.

With this discovery, Gao and her colleagues have developed a technology with the potential to make complete functioning organisms that can produce energy, neutralize toxins and make drugs and artificial genes that could eventually be used in gene therapy procedures. Gene therapy is a promising approach to the treatment of genetic disorders, debilitating neurological diseases such as Parkinson's and endocrine disorders such as diabetes. This technology may therefore yield profound benefits for human health and quality of life.

"The technology developed by Dr. Gao and her collaborators has the potential to make research that many of us could only dream about both plausible and cost effective," said Stuart Dryer, chair of the department of biology and biochemistry at UH. "In my own research on neurological diseases, we've often wished we could rapidly synthesize many variations of large naturally occurring genes. The costs of current technology have prevented us from doing this, but Dr. Gao's research will break down that barrier."

This technology offers tremendous potential benefits, as synthetic genes could allow for development and production of safer, less toxic proteins that are currently used in disease treatment. It also could allow for production of large molecules that do not occur naturally, but that are needed for new generations of vaccines and therapeutic agents, including vaccines for HIV and other viral diseases. This technology also will facilitate development of new medications through the creation of humanized yet synthetic antibodies that could be especially useful in detection and treatment of infectious organisms that could be used by terrorists.

Gao's co-authors include Erdogan Gulari and Xiaochuan Zhou from the University of Michigan and George Church of Harvard University. Gao, Gulari and Zhou are partners in Atactic Technologies, a company that produces and markets products for life sciences research. Atactic Technologies currently holds the license to this breakthrough technology, called picoarray gene synthesis. UH and the University of Michigan are co-holders of the patents to these DNA microchip technologies.

Prior to coming to UH in 1992, Gao was a senior investigator at Glaxo Research Laboratory and received her postdoctoral training at Columbia University, her doctorate from Rutgers University and bachelor of science from the Beijing Institute of Chemical Technology. She is an expert in nucleic acid chemistry, biomolecular nuclear magnetic resonance technology, structural biological chemistry and combinatorial chemistry. Research in her lab involves the interface of chemistry and biological sciences. Holding patents in biochip technologies, her current focus is to understand the relationships of function and structure of complex genomes of humans and other species. Gao's research has been funded by the National Institutes of Health, the Welsh Foundation, the Texas Higher Education Coordinating Board, the National Foundation for Cancer Research, the Merck Genomic Research Institute and the Defense Advanced Research Projects Agency.

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Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por University Of Houston. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.


Lyme Disease Vaccine Proteins Patented

Scientists at the U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory and collaborators at Stony Brook University have received U.S. Patent Number 7,179,448 for developing chimeric, or "combination," proteins that may advance the development of vaccines and diagnostic tests for Lyme disease.

The genetically engineered proteins combine pieces of two proteins that are normally present on the surface of the bacterium that causes Lyme disease, but at different parts of the organism&rsquos life cycle. "Combining pieces of these two proteins into one chimeric protein should trigger a 'one-two-punch' immune response more capable of fending off the bacterium than either protein alone," says Brookhaven biologist John Dunn, a researcher on the BNL Lyme disease team. "These chimeric proteins could also be used as diagnostic reagents that distinguish disease-causing strains of bacteria from relatively harmless ones, and help assess the severity of an infection," Dunn said.

Lyme disease is the most common vector-borne disease in the U.S., causing approximately 25,000 new cases each year &mdash a rate that is expected to increase by at least a third from 2002 to 2012, according to a new study. Early symptoms of the disease, which is spread by the bite of an infected deer tick, include a bull's-eye rash at the site of the bite and flu-like symptoms. If not promptly treated with antibiotics, it can lead to more serious symptoms, including joint and neurological complications.

Scientists have been working on vaccines based on the structures of proteins found on the outer surface of Borrelia burgdoferi, the bacterium that causes Lyme disease. Dunn and colleagues deciphered the atomic level structures of these proteins, known as outer surface proteins A and C (OspA and OspC), at the National Synchrotron Light Source (NSLS) at Brookhaven Lab. The OspA protein, which was used to make the original vaccine against Lyme disease, is only present in the bacteria while they are in the cold-blooded deer tick&rsquos stomach, and not in the host. After the tick bites a warm-blooded mammalian host, the injected bacteria produce OspC on their surface.

With the aim of developing a vaccine that would trigger an immune response against both these life cycle stages, Dunn's team used methods of recombinant DNA to create new proteins that combine the most immunogenic portions of OspA and OspC &mdash that is, the regions of the two proteins that are most likely to trigger an immune response.

The researchers have demonstrated that the new combination proteins retain the ability to trigger an immune response to at least one or both of the antigens, and can trigger the production of antibodies that inhibit growth of and/or kill Borrelia bacteria in laboratory cultures. They've also shown that the chimeric proteins can be mass-produced in E. coli bacteria, a common laboratory technique for making proteins, and easily purified for possible use in vaccines or diagnostic assays.

"This could lead to a vaccine that is effective at different stages of the organism&rsquos life cycle," said Dunn. Moreover, by incorporating unique protein fragments from various pathogenic families of Borrelia, these chimeric proteins could be used to distinguish clinically important exposure to disease-causing Borrelia from exposures to other non-pathogenic families of Borrelia.

The patent covers the development of the chimeric proteins themselves, the nucleic acids (genetic material) used to generate the proteins, the methods used to make the proteins, the methods used to deliver either the proteins or nucleic acids, the use of the proteins in diagnostic assays or kits, and their use in animals and humans as vaccines against Lyme disease.