Toată lumea a auzit de vaccinurile cu ARNm împotriva COVID-19. ARNm înseamnă ARN mesager, cu referire la molecula pe care vaccinul o introduce în corpul nostru. Odată ce vaccinul pătrunde în celule, ARNm le spune acestora cum să sintetizeze o parte a virusului SARS-CoV-2. Vaccinul în sine nu ne poate îmbolnăvi, însă sinteza acestei părți a virusului și expunerea organismului la aceasta permite sistemului imunitar să intre în acțiune și să apere organismul față de infecția cu SARS-CoV-2.
Dar cum fac celulele noastre acest lucru? Ce este ARNm și cum spune vaccinul ARNm organismului ce să facă și cum să facă? Înțelegerea acestui lucru se reduce la faptul că fiecare celulă de pe planeta noastră este o adevărată uzină microscopică.
Celulele sunt uzinele lumii vii
Chiar dacă este un computer, o tabletă sau un telefon, dispozitivul de pe care citim aceste rânduri a fost construit într-o fabrică. Aceasta funcționează non-stop, procesând și producând obiecte în conformitate cu instrucțiuni specifice. Celulele, cele mai mici unități funcționale ale organismului viu, sunt mici uzine, care construiesc produși biologici sau molecule.
O fabrică de electronice (stânga) și celula eucariotă (dreapta). Deoarece lucrează neobosit pentru a sintetiza produși biologici, celulele sunt considerate uzinele lumii vii. | Foto: JOVANA ANDREJEVIC
Celulele au nevoie de instrucțiuni explicite pentru a construi lucrurile: acestea reprezintă genomul – totalitatea materialului genetic din celulă. De exemplu, genomul uman conține zeci de mii de gene, fiecare dintre ele furnizând specificațiile exacte ale unui produs biologic. În timp ce ADN-ul este analogul literelor alfabetului, o genă este echivalentul unui cuvânt. Împreună, genele compun propozițiile, care formează manualul de instrucțiuni al genomului.
Celulele conțin mașinării care construiesc proteine
Într-o fabrică de electronice, un manual de instrucțiuni scris nu este suficient pentru a spune unei mașini cum să construiască un produs. Specificațiile scrise sunt transformate în planuri de producție: un robot poate interacționa direct cu un plan pentru a pune cap la cap un produs. Același lucru este valabil și pentru celulele vii: instrucțiunile din ADN sunt transformate într-un plan denumit ARN mesager (ARNm). Produsele biologice fabricate cu ajutorul acestor planuri se numesc proteine, care îndeplinesc rolurile structurale, funcționale și reglatoare necesare pentru a menține un organism în viață.
La fel cum electronicele complexe sunt fabricate dintr-un set de materii prime, milioanele de proteine care se găsesc în natură sunt produse punând cap la cap diferite combinații ale cărămizilor lumii vii – aminoacizii. O proteină se formează atunci când aminoacizii se unesc între ei și se pliază într-o formă specifică, pe baza proprietăților chimice. ARNm spune fiecărui aminoacid unde să se așeze în proteină. Mașinăria biologică ce citește ARN-ul mesager și pune cap la cap aminoacizii este numită ribozom, iar fiecare celulă conține mii (la bacterii) sau milioane (la unele mamifere) de asemenea structuri.
Ribozomii sunt universali și esențiali pentru viață
Ribozomii biosintetizează fiecare proteină de care o celulă are nevoie pentru a supraviețui și sunt mașinării incredibil de complicate. De fapt, a fost nevoie de câteva decenii de cercetări pentru a stabili cum funcționează aceștia: Premiul Nobel pentru chimic a fost acordat în anul 2009 pentru trei oameni de știință (Venki Ramakrishnan, Thomas Steitz și Ada Yonath) tocmai pentru descoperirea structurii și funcțiilor ribozomilor.
Deși acum știm că ribozomii arată ușor diferit în funcție de organism, ei toți îndeplinesc un set universal de funcții critice în sinteza proteinelor. Ei se folosesc de planul codificat de ARNm pentru a prelua un aminoacid și a-l atașat unui lanț crescând de alți aminoacizi, care, în final, devine o proteină. Cum funcționează acest lucru?
Ribozomii colectează și leagă aminoacizii între ei
ARNm este un lanț de compuși chimici denumiți nucleotide, pe care un ribozom îi citește în grupuri de câte trei: fiecare set de trei nucleotide (denumit codon) conține planul pentru un anumit aminoacid. Pentru fiecare set de câte trei nucleotide ale ARNm, ribozomul colectează aminoacidul respectiv și îl atașează de lanțul în creștere de aminoacizi.
În procesul de sinteză proteică, ribozomii sunt ajutați de către ARN-ul de transfer (ARNt), care le aduc aminoacidul potrivit pentru fiecare etapă a sintezei.
Ribozomii citesc ARNm și construiesc proteinele, cu ajutorul ARN-ului de transfer (ARNt), care le aduce aminoacidul potrivit pentru fiecare etapă a sintezei. | Foto: JOVANA ANDREJEVIC
Pe măsură ce ribozomul colectează un aminoacid, îl atașează la lanțul de aminoaacizi deja existent, iar procesul se repetă până când ribozomul termină de citit ARNm. În acest moment, proteine sintetizată este eliberată în celulă, iar ribozomul este pregătit pentru a relua procesul de la capăt.
Virusurile ne folosesc ribozomii pentru a-și sintetiza proteinele proprii
Folosirea la scară universală a ADN-ului, ARNm și aminoacizilor face posibilă existența virusurilor. Aceasta deoarece un virusul nu este un organism viu în adevăratul sens al cuvântului. În schimb, un virus este o masă de lipide și proteine care pătrunde în celulele altui organism, unde se folosește de uzina celulară pentru a se replica. Virusul mai poartă și un materiale genetic, care îi spune celulei-gazdă cum să îl multiplice.
Partea din virus care este văzută de sistemul imunitar (antigenii) este, de obicei, capsula care protejează materialul genetic, proteinele și lipidele din interior. În cazul virusului SARS-CoV-2, o importantă proteină membranară este denumită proteina S (spike), denumită astfel pentru că are aspectul unei țepe pe suprafața virusului. Proteina S joacă un rol esențial în legarea virusului de celula-gazdă și este considerată un antigen extrem de important, care poate fi exploatat la dezvoltarea unui vaccin.
Ideea din partea vaccinului este aceea că, expunând organismul la acești antigeni, este suficient de mult mimat virusul pentru ca în organism să se declanșeze un răspund imunitar, dar fără a ne îmbolnăvi de virusul propriu-zis. Vaccinurile convenționale au realizat acest lucru fie prin inactivarea virusurilor, fie prin modificarea altor virusuri nepatogene pentru a incorpora antigenii virusului patogen.
Vaccinurile cu ARNm
Să considerăm proteina S a virusului SARS-CoV-2: cercetătorii pot crea un ARNm care să codifice această proteină și au găsit căi de a-l introduce în celule. După ce ARNm pătrunde în celule, ribozomii în citesc și sintetizează proteina S. Pe măsură ce sunt produse, proteinele S se grupează la suprafața celulei și sunt recunoscute de către sistemul imunitar.
Vaccinurile cu ARNm adaugă un noul nivel de simplitate la proiectarea vaccinurilor, deoarece elimină necesitatea proiectării virusurilor și reduc costurile cu materialele. Proiectarea virusurilor complete necesită culturi la scară largă de celule de mamifere și/sau ouă de găină, în timp ce producerea de ARNm în cantități mari poate fi realizată relativ repede și eficient în tuburi de testare. Această înseamnă că, în teorie, un vaccin cu ARNm poate fi produs în masă utilizând mai puține resurse și în mai puțin timp.