Dr. Francis Collins: Los avances científicos del año 2020

Por el Dr. Francis Collins, Médico-genetista conocido por sus descubrimientos históricos de genes de enfermedades y su liderazgo del Proyecto Genoma Humano internacional, que culminó en abril de 2003 con la finalización de una secuencia completa del libro de instrucciones del ADN humano. Director del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano en los NIH de 1993 a 2008. Director de los NIH (National Institute of Helth) desde 2009. Publicado en el Blog del Director del NIH el 12 de enero de 2021

Al final de cada año, los editores y escritores de la revista Science revisan el progreso que se ha logrado en todos los campos de la ciencia, desde la antropología hasta la zoología, para seleccionar el mayor avance de los últimos 12 meses. En la mayoría de los casos, este avance del año es tan difícil de predecir como el Oscar a la mejor película. No en 2020. En un año lleno de una multitud de desafíos planteados por la aparición de la enfermedad mortal del coronavirus 2019 (COVID-2019), el avance fue el desarrollo de las primeras vacunas para proteger contra esta pandemia que ya se ha cobrado la vida de más de 360.000 estadounidenses.

De acuerdo con su tradición anual, Science también seleccionó nueve avances en segundo lugar. Esta impresionante lista incluye al menos tres áreas que involucraron esfuerzos apoyados por los NIH: aplicaciones terapéuticas de la edición genética, investigación básica que comprende el VIH y científicos que defienden la diversidad. Aquí hay un resumen rápido  de todos los avances pioneros en la investigación biomédica, tanto financiados por los NIH como no financiados por los NIH:

Disparos de esperanza 

En 2020 sucedieron muchas cosas sin precedentes. En la parte superior de la lista estaba el rápido desarrollo de las vacunas COVID-19 . Los investigadores públicos y privados lograron en 10 meses lo que normalmente toma alrededor de 8 años para producir dos vacunas para uso público, y habrá más en camino en 2021. En mis más de 25 años en los NIH, nunca he encontrado tal disposición entre los investigadores para dejar a un lado sus otras preocupaciones y reunirse alrededor de la misma mesa para hacer el trabajo rápido, seguro y eficiente para el mundo.

También es bastante sorprendente que se descubrió que las dos primeras vacunas aprobadas condicionalmente de Pfizer y Moderna eran más del 90 por ciento efectivas para proteger a las personas de la infección con SARS-CoV-2, el coronavirus que causa el COVID-19. Ambas son vacunas innovadoras de ARN mensajero (ARNm), un nuevo enfoque para la vacunación.

Para este tipo de vacuna, la pieza central es un pequeño fragmento de ARNm no infeccioso que codifica las instrucciones para producir la proteína de la espiga que corona la superficie exterior del SARS-CoV-2. Cuando el ARNm se inyecta en un músculo del hombro, las células seguirán las instrucciones codificadas y realizarán temporalmente copias de esta proteína viral característica. A medida que el sistema inmunológico detecta estas copias, estimula la producción de anticuerpos y ayuda al cuerpo a recordar cómo defenderse del SARS-CoV-2 si se encuentra con algo real.

Tampoco se puede subestimar que ambas vacunas de ARNm, una desarrollada por Pfizer y la otra por Moderna en conjunto con el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas de los NIH, fueron evaluadas rigurosamente en ensayos clínicos. Los datos detallados se publicaron en línea y se discutieron en reuniones de todo el día de un Comité Asesor de la FDA, abiertas al público. De hecho, dados los altos riesgos, el nivel de revisión probablemente fue más riguroso científicamente que nunca.

Primeras curaciones CRISPR 

Una de las áreas de investigación más prometedoras que se están llevando a cabo es la edición de genes. Estas herramientas, todavía relativamente nuevas, tienen el potencial de corregir errores ortográficos genéticos, y potencialmente curar una amplia gama de enfermedades genéticas que alguna vez estuvieron fuera de su alcance. Gran parte del enfoque de la investigación se ha centrado en CRISPR / Cas9. Este sistema de edición de genes de alta precisión se basa en moléculas de ARN guía para dirigir una enzima Cas9 similar a una tijera al lugar correcto en el genoma para eliminar o corregir un error ortográfico que causa una enfermedad.

A finales de 2020, un equipo de investigadores de Estados Unidos y Europa logró por primera vez utilizar CRISPR para tratar a 10 personas con anemia de células falciformes y beta talasemia dependiente de transfusiones . Como se publicó en el New England Journal of Medicine , varios meses después de este tratamiento no hereditario, todos los pacientes ya no necesitaban transfusiones de sangre frecuentes y viven sin dolor [1].

Los investigadores probaron un tratamiento único en el que extrajeron la médula ósea de cada paciente, modificaron las células madre hematopoyéticas formadoras de sangre fuera del cuerpo utilizando CRISPR y luego las reinfundieron en el cuerpo. Para prepararse para recibir las células corregidas, los pacientes recibieron una terapia de ablación de médula ósea tóxica, con el fin de dejar espacio para las células corregidas. El resultado: las células madre modificadas se reprogramaron para volver a producir grandes cantidades de una forma saludable de hemoglobina, que sus cuerpos producían en fase fetal. Si bien el tratamiento sigue siendo de riesgo, es complejo y prohibitivamente caro, este trabajo es un comienzo impresionante para que se produzcan más avances en el uso de tecnologías de edición genética. NIH, incluido su programa de edición del genoma de células somáticas, continúa impulsando la tecnología para acelerar el progreso y hacer que las curas de edición de genes para muchos trastornos sean más simples y menos tóxicas.

Los científicos defienden la diversidad:

El año 2020 será recordado no solo por COVID-19, sino también por la evidencia muy pública e ineludible de la persistencia de la discriminación racial en Estados Unidos. Desencadenado por el asesinato de George Floyd y otros eventos similares, los estadounidenses se vieron obligados a enfrentarse al hecho de que nuestra sociedad no brinda igualdad de oportunidades y justicia para todos. Y eso también se aplica a la comunidad científica.

La ciencia prospera en entornos de investigación seguros, diversos e inclusivos. Sufre cuando el racismo y la intolerancia encuentran un hogar para sofocar la diversidad, y la comunidad para todos, en las ciencias. Para las principales instituciones científicas del país, existe un lugar y un llamado para fomentar la diversidad en el lugar de trabajo científico y proporcionar los recursos para que prospere en beneficio de todos.

Para aquellos de nosotros en los NIH, las protestas pacíficas y los hashtags del año pasado fueron notados y tomados en serio. Esa es una de las muchas razones por las que continuaremos fortaleciendo nuestro compromiso de construir un lugar de trabajo inclusivo y culturalmente diverso. Por ejemplo, hemos establecido el Comité de Equidad de los NIH . Permite el seguimiento sistemático y la evaluación de medidas de diversidad e inclusión para el programa de investigación intramuros de cada instituto y centro de los NIH. También existe el Programa de Académicos Distinguidos, recientemente fundado , que tiene como objetivo aumentar la diversidad de investigadores de trayectoria en el NIH. Recientemente, NIH también anunció que brindará apoyo a las instituciones para reclutar grupos diversos o “cohortes” de profesores de investigación en etapa inicial y prepararlos para prosperar como investigadores financiados por los NIH.

La Inteligencia Artificial desenreda el plegado de las proteínas 

Las proteínas, que son los caballos de batalla de la célula, están formadas por cadenas largas e interconectadas de aminoácidos que se pliegan en una amplia variedad de formas 3D. Comprender la forma precisa de una proteína facilita los esfuerzos para descubrir su función, su papel potencial en una enfermedad e incluso cómo atacarla con terapias. Para obtener tal comprensión, los investigadores a menudo intentan predecir la estructura química 3D precisa de una proteína utilizando principios básicos de la física, incluida la mecánica cuántica. Pero mientras que la naturaleza hace esto en tiempo real miles de millones de veces al día, los enfoques computacionales no han podido hacer esto, hasta ahora.

De las aproximadamente 170 000 proteínas mapeadas hasta ahora, la mayoría de ellas han descifrado sus estructuras utilizando potentes técnicas de imagen como la cristalografía de rayos X y la microscopía crioelectrónica (crio-EM ). Pero los investigadores estiman que hay al menos 200 millones de proteínas en la naturaleza y, por sorprendentes que sean estas técnicas de imagen, son laboriosas y pueden llevar muchos meses o años resolver la estructura 3D de una sola proteína. Entonces, ¡ciertamente se necesitaba un gran avance!

En 2020, investigadores de la empresa Deep Mind de Londres desarrollaron un programa de inteligencia artificial (IA) que predice rápidamente la mayoría de las estructuras de proteínas con tanta precisión como la cristalografía de rayos X y la crio-EM pueden mapearlas [2]. El programa de IA, llamado AlphaFold, predice la estructura de una proteína modelando computacionalmente las interacciones de aminoácidos que gobiernan su forma 3D.

Llegar allí no fue fácil. Si bien un cálculo completo de novo de la estructura de la proteína aún parecía fuera de su alcance, los investigadores razonaron que podrían poner en marcha el modelado si se proporcionaran estructuras conocidas como un conjunto de entrenamiento para el programa de IA. Utilizando una red informática construida alrededor de 128 procesadores de aprendizaje automático, el sistema AlphaFold se creó centrándose primero en las 170.000 proteínas con estructuras conocidas en un proceso reiterativo llamado aprendizaje profundo. El proceso, que está inspirado en la forma en que las redes neuronales del cerebro humano procesan la información, permite a las computadoras buscar patrones en grandes colecciones de datos. En este caso, AlphaFold aprendió a predecir la estructura física subyacente de una proteína en cuestión de días. Este avance tiene el potencial de acelerar los campos de la biología estructural y la investigación de proteínas,

Cómo los controladores de élite mantienen a raya al VIH 

El término «controlador de élite» puede hacer que algunas personas piensen en los genios de los videojuegos. Pero aquí, se refiere a menos del 1 por ciento de las personas que viven con el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) que de alguna manera se han mantenido saludables durante años sin tomar medicamentos antirretrovirales. En 2020, un equipo de investigadores apoyados por los NIH descubrió por qué esto es así.

En un estudio de 64 controladores de élite, publicado en la revista Nature , el equipo descubrió un vínculo entre su buena salud y dónde se ha insertado el virus en sus genomas [3]. Cuando una célula transcribe un gen donde el VIH se ha asentado, este llamado «provirus» puede producir más virus para infectar otras células. Pero si se instala en una parte de un cromosoma que rara vez se transcribe, a veces llamado desierto genético, el provirus se queda bloqueado y no tiene forma de replicarse. Aunque este descubrimiento no curará el VIH / SIDA, apunta a una nueva dirección para desarrollar mejores estrategias de tratamiento.

Para terminar, 2020 presentó más desafíos personales y sociales de los que le corresponde. Entre esos desafíos se encontraba una avalancha de información errónea sobre COVID-19 que confundió y dividió a muchas comunidades e incluso familias. Es por eso que los editores y escritores de Science señalaron “una segunda pandemia de desinformación” como su Desglose del año. Esta división debería preocuparnos mucho a todos, ya que los casos de COVID-19 continúan aumentando en todo el país y nuestra atención médica se estira hasta el punto de ruptura. Espero y rezo para que todos encontremos la manera de unirnos, tanto en la ciencia como en la sociedad, a medida que avanzamos en 2021.

Referencias :

[1] Edición del gen CRISPR-Cas9 para la anemia de células falciformes y la β-talasemia . Frangoul H y col. N Engl J Med. 2020 5 de diciembre.

[2] ‘ El juego ha cambiado’. La IA triunfa en el plegamiento de proteínas . Servicio RF. Science. 04 dic 2020.

[3] Distintos reservorios virales en individuos con control espontáneo del VIH-1 . Jiang C y col. Nature. Septiembre de 2020; 585 (7824): 261-267.

Enlaces :

Investigación COVID-19 (NIH)

Avance científico del año 2020  (Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, Washington, DC)