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8.8: Síntesis de ráfagas y generación de alarmas - Biología

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En este punto, consideremos una serie de comportamientos interesantes asociados con la traducción. Dado que el número de moléculas de ARNm que codifican un polipéptido en particular puede ser pequeño (menos de 10 por célula en algunos casos), la combinación de estallido transcripcional y traduccional puede conducir a una síntesis de proteínas ruidosa.

El sistema de traducción es dinámico y un gran consumidor de energía dentro de la célula.240. Cuando una célula, particularmente una célula bacteriana, se muere de hambre, no tiene la energía para generar ARNt cargados con aminoácidos. El resultado es que los ARNt no cargados se acumulan. Dado que los ARNt no cargados encajan en los sitios de unión de amino-acil-ARNt en el ribosoma, su presencia aumenta la probabilidad de interacciones improductivas del ARNt con el complejo ARNm-ribosoma. Cuando esto ocurre, el ribosoma estancado genera una señal (ver241) que pueden conducir a cambios adaptativos en la célula que le permiten sobrevivir durante largos períodos en un estado "inactivo"242.

Otra respuesta que puede ocurrir es una más social. Algunas células de la población pueden "sacrificarse" por sus vecinos (generalmente estrechamente relacionados) (recuerde la selección de parentesco y la aptitud inclusiva). Este mecanismo se basa en el hecho de que las proteínas, como los ácidos nucleicos, difieren en las tasas de degradación dentro la célula. Así como las ribonucleasas pueden degradar los ARNm, las proteasas degradan proteínas y polipéptidos. La estabilidad de una proteína / polipéptido depende de su estructura, a la que nos referiremos pronto.

Un sistema común dentro de las células bacterianas se conoce como módulo de adicción. Consta de dos genes que codifican dos polipéptidos distintos. Se forma una molécula de toxina que, cuando está activa, puede matar la célula. El segundo es una anti-toxina, que se une a la molécula de la toxina y la vuelve inactiva. La característica clave del sistema toxina-antitoxina es que la molécula de la toxina es estable y tiene una vida media prolongada. La vida media de una molécula es el tiempo que tarda el 50% de las moléculas presentes en una población en un momento determinado en degradarse (o desaparecer del sistema). Por el contrario, la vida media de la molécula antitoxina es corto. El resultado es que si la síntesis de proteínas se ralentiza o se detiene, el nivel de la toxina permanecerá alto, mientras que el nivel de la antitoxina disminuirá rápidamente, lo que conduce a la pérdida de inhibición de la toxina y la muerte de la célula. La muerte conduce a la liberación de los nutrientes de la célula, nutrientes que pueden ser utilizados por sus vecinas. Puede ocurrir un proceso similar si un virus infecta una célula. Si una célula infectada se mata a sí misma antes de que el virus pueda replicarse, el virus se destruye y los vecinos de la célula (que probablemente sean sus parientes) sobreviven.


Contenido

Ley de Grotthuss-Draper y ley de Stark-Einstein Editar

La fotoexcitación es el primer paso en un proceso fotoquímico en el que el reactivo se eleva a un estado de mayor energía, un estado excitado. La primera ley de la fotoquímica, conocida como ley de Grotthuss-Draper (para los químicos Theodor Grotthuss y John W. Draper), establece que la luz debe ser absorbida por una sustancia química para que se produzca una reacción fotoquímica. De acuerdo con la segunda ley de la fotoquímica, conocida como ley de Stark-Einstein (para los físicos Johannes Stark y Albert Einstein), por cada fotón de luz absorbido por un sistema químico, no se activa más de una molécula para una reacción fotoquímica, como se define por el rendimiento cuántico. [3] [4]

Fluorescencia y fosforescencia Editar

Cuando una molécula o átomo en el estado fundamental (S0) absorbe la luz, un electrón se excita a un nivel orbital superior. Este electrón mantiene su espín de acuerdo con la regla de selección de espín; otras transiciones violarían la ley de conservación del momento angular. La excitación a un estado singlete superior puede ser de HOMO a LUMO oa un orbital superior, de modo que los estados de excitación singlete S1, S2, S3… A diferentes energías son posibles.

La regla de Kasha estipula que los estados de singlete más altos se relajarían rápidamente por desintegración sin radiación o conversión interna (IC) a S1. Por lo tanto, S1 es normalmente, pero no siempre, el único estado excitado singlete relevante. Este estado excitado S1 puede relajarse aún más a S0 por IC, sino también por una transición radiativa permitida de S1 a S0 que emite un fotón este proceso se llama fluorescencia.

Alternativamente, es posible que el estado excitado S1 sufrir inversión de espín y generar un triplete estado excitado T1 tener dos electrones no apareados con el mismo espín. Esta violación de la regla de selección de espín es posible por el cruce entre sistemas (ISC) de los niveles vibracionales y electrónicos de S1 y T1. Según la regla de Hund de máxima multiplicidad, este T1 el estado sería algo más estable que S1.

Este estado triplete puede relajarse al estado fundamental S0 por CI sin radiación o por una vía de radiación llamada fosforescencia. Este proceso implica un cambio de espín electrónico, que está prohibido por las reglas de selección de espín, haciendo fosforescencia (de T1 a S0) mucho más lento que la fluorescencia (de S1 a S0). Por lo tanto, los estados triplete generalmente tienen una vida más larga que los estados singlete. Estas transiciones generalmente se resumen en un diagrama de energía de estado o diagrama de Jablonski, el paradigma de la fotoquímica molecular.

Estas especies excitadas, ya sea S1 o T1, tienen un orbital medio vacío de baja energía y, en consecuencia, son más oxidantes que el estado fundamental. Pero al mismo tiempo, tienen un electrón en un orbital de alta energía y, por lo tanto, son más reductores. En general, las especies excitadas tienden a participar en los procesos de transferencia de electrones. [5]

Configuración experimental Editar

Las reacciones fotoquímicas requieren una fuente de luz que emita longitudes de onda correspondientes a una transición electrónica en el reactivo. En los primeros experimentos (y en la vida cotidiana), la luz solar era la fuente de luz, aunque es policromática. Las lámparas de vapor de mercurio son más comunes en el laboratorio. Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión emiten principalmente a 254 nm. Para fuentes policromáticas, los rangos de longitud de onda se pueden seleccionar mediante filtros. Alternativamente, los rayos láser suelen ser monocromáticos (aunque se pueden obtener dos o más longitudes de onda usando óptica no lineal) y los LED tienen una banda relativamente estrecha que se puede usar de manera eficiente, así como las lámparas Rayonet, para obtener rayos aproximadamente monocromáticos.

Por supuesto, la luz emitida debe alcanzar el grupo funcional objetivo sin ser bloqueada por el reactor, el medio u otros grupos funcionales presentes. Para muchas aplicaciones, el cuarzo se usa tanto para los reactores como para contener la lámpara. Pyrex absorbe a longitudes de onda inferiores a 275 nm. El solvente es un parámetro experimental importante. Los solventes son reactivos potenciales y por esta razón, se evitan los solventes clorados porque el enlace C-Cl puede conducir a la cloración del sustrato. Los disolventes de fuerte absorción evitan que los fotones lleguen al sustrato. Los disolventes de hidrocarburos absorben solo en longitudes de onda cortas y, por lo tanto, se prefieren para experimentos fotoquímicos que requieren fotones de alta energía. Los disolventes que contienen insaturación absorben a longitudes de onda más largas y pueden filtrar de manera útil las longitudes de onda cortas. Por ejemplo, el ciclohexano y la acetona "cortan" (absorben fuertemente) a longitudes de onda menores de 215 y 330 nm, respectivamente.

Fotoquímica en combinación con química de flujo Editar

La fotoquímica de flujo continuo ofrece múltiples ventajas sobre la fotoquímica por lotes. Las reacciones fotoquímicas son impulsadas por la cantidad de fotones que pueden activar moléculas que causan la reacción deseada. La gran relación de área de superficie a volumen de un microrreactor maximiza la iluminación y, al mismo tiempo, permite un enfriamiento eficiente, lo que disminuye los productos secundarios térmicos. [6]

Principios Editar

En el caso de reacciones fotoquímicas, la luz proporciona la energía de activación. De manera simplista, la luz es un mecanismo para proporcionar la energía de activación requerida para muchas reacciones. Si se emplea luz láser, es posible excitar selectivamente una molécula para producir un estado electrónico y vibratorio deseado. [7] Del mismo modo, la emisión de un estado en particular puede ser monitoreada selectivamente, proporcionando una medida de la población de ese estado. Si el sistema químico está a baja presión, esto permite a los científicos observar la distribución de energía de los productos de una reacción química antes de que las diferencias de energía hayan sido borradas y promediadas por colisiones repetidas.

La absorción de un fotón de luz por una molécula reactiva también puede permitir que ocurra una reacción no solo llevando a la molécula a la energía de activación necesaria, sino también cambiando la simetría de la configuración electrónica de la molécula, permitiendo una ruta de reacción inaccesible de otra manera, como descrito por las reglas de selección de Woodward-Hoffmann. Una reacción de cicloadición 2 + 2 es un ejemplo de una reacción pericíclica que puede analizarse utilizando estas reglas o mediante la teoría de orbitales moleculares de frontera relacionada.

Algunas reacciones fotoquímicas son varios órdenes de magnitud más rápidas que las reacciones térmicas tan rápidas como 10-9 segundos y los procesos asociados a menudo se observan tan rápido como 10-15 segundos.

El fotón puede ser absorbido directamente por el reactivo o por un fotosensibilizador, que absorbe el fotón y transfiere la energía al reactivo. El proceso opuesto se denomina extinción cuando un reactivo químico desactiva un estado fotoexcitado.

La mayoría de las transformaciones fotoquímicas ocurren a través de una serie de pasos simples conocidos como procesos fotoquímicos primarios. Un ejemplo común de estos procesos es la transferencia de protones en estado excitado.


Los peligros de las hormonas sintéticas

Figura 18.8.
El jugador de béisbol profesional Jason Giambi admitió públicamente y se disculpó por su uso de esteroides anabólicos proporcionados por un entrenador. (crédito: Bryce Edwards)

Algunos atletas intentan mejorar su rendimiento mediante el uso de hormonas artificiales que mejoran el rendimiento muscular. Los esteroides anabólicos, una forma de la hormona sexual masculina testosterona, son uno de los fármacos para mejorar el rendimiento más conocidos. Los esteroides se utilizan para ayudar a desarrollar masa muscular. Otras hormonas que se utilizan para mejorar el rendimiento deportivo incluyen la eritropoyetina, que desencadena la producción de glóbulos rojos, y la hormona del crecimiento humano, que puede ayudar a desarrollar masa muscular. La mayoría de las drogas para mejorar el rendimiento son ilegales para fines no médicos. También están prohibidos por los órganos rectores nacionales e internacionales, incluido el Comité Olímpico Internacional, el Comité Olímpico de los EE. UU., La Asociación Nacional de Atletismo Colegiado, las Grandes Ligas de Béisbol y la Liga Nacional de Fútbol.

Los efectos secundarios de las hormonas sintéticas suelen ser importantes y no reversibles y, en algunos casos, fatales. Los andrógenos producen varias complicaciones como disfunciones hepáticas y tumores hepáticos, agrandamiento de la próstata, dificultad para orinar, cierre prematuro de los cartílagos epifisarios, atrofia testicular, infertilidad y depresión del sistema inmunológico. La tensión fisiológica causada por estas sustancias suele ser mayor de lo que el cuerpo puede soportar, lo que genera efectos impredecibles y peligrosos y vincula su uso con ataques cardíacos, accidentes cerebrovasculares y deterioro de la función cardíaca.


Afiliaciones

Laboratorio de Biología Molecular MRC, Cambridge Biomedical Campus, Cambridge, Reino Unido

Gillian Houlihan, Sebastian Arangundy-Franklin, Benjamin T. Porebski, Nithya Subramanian, Alexander I. Taylor y Philipp Holliger

Instituto de Cambridge de Inmunología Terapéutica y Enfermedades Infecciosas (CITIID), Centro Biomédico Jeffrey Cheah, Campus Biomédico de Cambridge, Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

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Contribuciones

G.H ,. S.A.-F. y P.H. experimentos concebidos y diseñados. G.H. realizó todos los experimentos excepto modelos estructurales (con S.A.-F. y B.T.P.), secuenciación profunda y análisis de datos (con B.T.P.) y caracterización RT (con A.I.T. y N.S.). Todos los autores analizaron los datos, discutieron los resultados y coescribieron el manuscrito.

Autor correspondiente


Abstracto

Fe2O3/CEO2 exhibe un rendimiento redox deseable en la generación de hidrógeno de bucle químico (CLHG) debido a su conductividad de oxígeno de rejilla favorable que se origina a partir de ceria. Mientras tanto, las tierras raras pueden mejorar aún más la reactividad del Fe.2O3/CEO2. Aquí, sintetizamos Fe2O3/CEO2 dopado con tres tierras raras, Y, Sm y La, respectivamente, por método de coprecipitación. Se investigaron el rendimiento redox y los mecanismos fundamentales para estudiar la influencia de los aditivos de tierras raras en el Fe2O3/CEO2 portador de oxígeno para CLHG. Se demostró que la Fe2O3/ Ce0.8Sm0.2O1.9 demostró la reactividad redox más alta, y la pureza del hidrógeno generado podría ser de hasta el 100% (con el límite de detección al 0,01% en volumen). La reactividad se clasificó como Fe2O3/ Ce0.8Sm0.2O1.9 & gt Fe2O3/ Ce0.8La0.2O1.9 & gt Fe2O3/ Ce0.8Y0.2O1.9 & gt Fe2O3/CEO2. Las tierras raras se incorporaron a CeO2 y aumentó la concentración de las vacantes de oxígeno, promoviendo la movilidad y reactividad del oxígeno de estos transportadores de oxígeno. Específicamente, no hay sangrado de tierras raras del director ejecutivo dopado.2 se observó después de los ciclos redox para Sm e Y, y ambas tierras raras pudieron suprimir la difusión hacia el exterior de los cationes de hierro en la partícula y el posterior enriquecimiento en la superficie, mejorando la estabilidad redox de los portadores de oxígeno. Sin embargo, La se desangraría de Ce0.8La0.2O1.9 y generar una perovskita LaFeO estable3, que resultó en la migración hacia el exterior de cationes de hierro y redujo la cantidad de óxidos de hierro activos, ejerciendo un efecto perjudicial sobre la reactividad redox del Fe2O3/ Ce0.8La0.2O1.9.


Anticipando el futuro

Es trillado señalar que predecir el futuro es difícil (Sullivan et al., 2013), especialmente porque el comportamiento humano es extremadamente errático y varía de un lugar a otro. Sin embargo, en muchas situaciones, debemos hacer conjeturas fundamentadas. Incluso los profanos pueden proponer escenarios interesantes, como se ve, por ejemplo, en la novela El final de octubre por Andrew Wright, quien publicó a principios de 2020 un desarrollo plausible de lo que estaba emergiendo como la pandemia de COVID-19, demostrando así un auténtico poder de anticipación. Gestionar una epidemia para que sea lo más breve e inocua posible puede salvar millones de vidas y aliviar su enorme carga económica. Utilizando parte de la enorme cantidad de conocimiento que se acumula a un ritmo rápido, después de eliminar la información errónea, hemos destacado aquí algunos de los espacios evolutivos más y menos restringidos que pueden ser explorados por la selección natural en el curso de la evolución del SARS-CoV-2. .

Patrón general de evolución durante el primer año de la pandemia

Si bien ha habido una gran cantidad de discusiones en documentos y publicaciones en línea, la respuesta humana al SARS-CoV-2 ha sido extremadamente parcial y limitada, dejando de lado muchos puntos que deberían haberse considerado con urgencia. Las discusiones públicas siguieron centrándose en la característica más obvia del virus, como la proteína que sobresale de su envoltura, la infame proteína de pico (algunas de sus funciones se analizan más adelante), así como los pseudo-tratamientos basados ​​en ex vivo experimentos que utilizan modelos celulares no informativos. Esto se refleja en una simple búsqueda en Google 'SARS-CoV-2' 'spike', que registró 6.000.000 de páginas el 3 de marzo (observamos una tendencia a la baja, presenciando el poder de las modas: fue de 9.000.000 páginas el 15 de febrero), en comparación con 'SARS-CoV-2' 'Orf8' que recopiló solo 50,400 páginas, por ejemplo. Sin embargo, la mayoría, si no todas, de las proteínas del virus continúan evolucionando (Jaroszewski et al., 2020). Como se muestra en la Fig. 2 y la Tabla S1, las mutaciones en los genes del virus abarcan mucho más que su proteína de pico, y existe una variación considerable entre las proteínas. Como se discutió en la primera parte de este artículo, la presión de selección que estabiliza estos cambios se debe a muchas causas, algunas de las cuales son susceptibles de intervención humana. Es probable que las mutaciones que afectaron a un gran número de aislamientos (últimas columnas del panel superior del histograma) sean las más importantes para la propagación del virus.

La tasa de mutación de cada gen se resume a partir de 193 687 cepas de SARS-CoV-2.

C. las tasas de alelos alternativos de SNP que se encuentran en ≥ 1 cepa. "& Gt A" significa la transición de un SNP de no "A" a "A". Usando la longitud de cada gen, el y-eje se normaliza al número de mutaciones por 1 kpb. En (A) y (b), el y-eje utiliza una escala logarítmica de base 2, y se muestra la tasa de mutación de las encontradas en ≥ 1 cepa, ≥ 5 cepas, ≥ 10 cepas y ≥ 100 cepas. La información sobre cómo se generaron estas tasas de mutación de cada gen se muestra en la nota complementaria. [La figura de color se puede ver en wileyonlinelibrary.com]

Aquí hay un ejemplo específico que puede ayudarnos a anticipar cambios futuros en la evolución del virus. La proteína Nsp1 es la primera proteína viral separada de las poliproteínas Orf1a y Orf1ab. Sorprendentemente, la mayoría de las variantes virales en esta proteína retienen un número menor de mutaciones que en las otras Nsps de aproximadamente el mismo tamaño, lo que sugiere una fuerte presión de selección para la evolución a largo plazo. Nsp1 tiene un papel fundamental en el inicio de la traducción del genoma del virus.Involucrado en la discriminación del genoma viral similar al ARNm del grueso de los ARNm celulares, sus características de traducción son distintas de las de las otras proteínas del virus (Ou et al., 2020). Debido a que está sometido a una presión tan considerable para evitar la variación, las pocas mutaciones que se han retenido en su secuencia deben analizarse con prioridad e informar sus consecuencias inmediatas en términos de virulencia.

Finalmente, como se discutió anteriormente, la presión de selección que estabiliza estos cambios se debe a muchas causas, algunas de las cuales pueden ser susceptibles de intervención humana. Esto requiere la urgente necesidad de recopilar metadatos relevantes para aprovechar al máximo la información genómica.

Factores medioambientales

Hemos enfatizado anteriormente las preguntas planteadas por los muchos factores de confusión que afectan nuestra comprensión de las enfermedades respiratorias. Sin embargo, parece bien establecido que los entornos abarrotados, especialmente, pero no solo en interiores, proporcionan la contribución más significativa a la contaminación de persona a persona. Es probable que la estructura de los sistemas de aireación tenga un fuerte impacto, y esto debería impulsar la investigación sobre la forma en que se airean los edificios, incluido el uso de filtración de aire (Turgeon et al., 2014), al tiempo que refuerza el distanciamiento social incluso en entornos al aire libre. Para anticipar futuras epidemias de enfermedades respiratorias, la construcción de viviendas, restaurantes y edificios de oficinas, así como el transporte público, deben someterse a una regulación obligatoria que imponga reglas específicas sobre el control del flujo de aire, como las de los quirófanos (Timmis, 2020 Newsom et al., 2021 ).

El clima puede contribuir a la evolución del virus. Estudios como el de (B. Chen et al., 2020a) no aportan mucha información simplemente porque hay un número considerable de factores de confusión que explican el desarrollo de la epidemia. El clima influye en el comportamiento humano: tendemos a permanecer adentro cuando hace frío. Una vez más, la contribución de la transmisión de infecciones en interiores frente a en exteriores es el parámetro mejor documentado, aunque la mayoría de las veces solo por inferencia. De hecho, este parámetro de transmisión está vinculado a la temperatura exterior (con un posible papel negativo del aire acondicionado cuando la temperatura / humedad es alta). Como consecuencia, la ventilación en espacios cerrados (Pease et al., 2021) podría influir críticamente en la evolución del virus. Esto sugiere varias características que deberían ser monitoreadas específicamente. Para ayudar a la anticipación, un estudio exhaustivo de los metadatos que identifican infecciones en espacios cerrados debe asociarse con la investigación (a través de la secuenciación del genoma) de la estructura de la envoltura y las proteínas asociadas, su unión a los lípidos, así como la evolución de pequeñas proteínas hidrófobas y enlaces. al salvamento y transporte de iones. Otro parámetro del medio ambiente, la irradiación UV, posiblemente también debería explorarse (Karapiperis et al., 2020). Mientras mata a los patógenos, la luz ultravioleta también es mutagénica de una manera muy específica (Wurtmann y Wolin, 2009). Entre las modificaciones de nucleótidos mutagénicos más estándar, genera dímeros de uracilo ciclobutano. Si es significativo, esto influiría en la evolución viral de una manera muy sesgada, lo que ameritaría una investigación, posiblemente a través del análisis de sesgos en los patrones de mutación de las variantes del virus aisladas de regiones con altas puntuaciones de UV. Sin embargo, restringimos aquí nuestra discusión a las características bien caracterizadas del virus que probablemente contribuirán más a su evolución futura y son susceptibles de enfoques experimentales.

En general, como se observa en la vasta literatura que trata sobre la epidemia, el énfasis se puso principalmente en la regulación de la respuesta antiviral del huésped. Esta perspectiva es útil para permitirnos vincular los hábitos humanos con la infección. Por ejemplo, debido a que los fumadores tienen más enfermedades del tracto respiratorio, puede haber algún nivel de protección debido a reacciones cruzadas con patógenos de infecciones previas (Saurabh et al., 2021), lo que explica la observación inicialmente paradójica de un posible efecto protector del tabaquismo (Landoni et al., 2020), ahora establecido como un factor de riesgo de gravedad (Elliott et al., 2021). Múltiples coinfecciones también pueden ser una fuente de recombinación entre virus, una característica que se analiza a continuación y que probablemente tenga consecuencias importantes. Este comportamiento particular debe tenerse en cuenta al anticipar la evolución del virus, que, nuevamente, debe ser monitoreada por la secuencia de todo su genoma, en una fracción de la población humana a través de la conexión con historias previas de infecciones respiratorias e intestinales. En general, sin duda es fundamental introducir, en los metadatos vinculados a la secuencia del genoma, datos clínicos del paciente que puedan revelar una tendencia a la evolución del tropismo viral, en particular datos relevantes tanto para las funciones respiratoria como digestiva.

Limitaciones en el desarrollo viral dependiente del hospedador

Vincular el virus y el metabolismo de su anfitrión es esencial para dar cuenta de su evolución tanto a corto como a largo plazo. Un virus, cuando se multiplica, debe desviar el metabolismo del huésped hacia su propia reproducción, es decir, los virus manipulan el metabolismo de su huésped. Por tanto, los virus deben adaptarse a las limitaciones metabólicas de su anfitrión. En este sentido, el SARS-CoV-2 es una entidad biológica muy interesante. Su multiplicación ha puesto de relieve fascinantes propiedades universales del metabolismo celular, basadas en una propiedad de crecimiento que esencialmente se pasa por alto. Cuando las células crecen, la mayor parte del metabolismo tiene lugar en el citoplasma, donde se generan todos los elementos básicos necesarios para el crecimiento celular. Esto plantea un tema olvidado, bien identificado por los economistas, a saber, el del crecimiento "no homotético". La célula crece en tres dimensiones mientras que la membrana celular es una superficie que crece en dos. Aún más importante, el genoma es un polímero lineal que crece en una dimensión. Esto implica que existe una enorme presión metabólica para producir "demasiado" de la membrana, y una presión aún mayor para producir "demasiado" del genoma. Estas características pueden, en principio, beneficiar significativamente la multiplicación de virus, no solo para los virus sin envoltura, sino también especialmente para los virus con envoltura. Es necesario desentrañar la forma en que estas discordancias físicas se han convertido en armonía celular.

De hecho, este obstáculo ha sido resuelto por selección natural. vía pasando una sección completa del metabolismo a través de la síntesis de una sola molécula, el trifosfato de citidina [que da la "C" en la secuencia del genoma (Danchin y Marlière, 2020 Ou et al., 2020)]. Una característica inesperada del metabolismo de la pirimidina corrobora esta observación al destacar la omnipresencia ausencia de una actividad enzimática anticipada. Si bien las fosforribosiltransferasas son omnipresentes, depuradoras de purinas, pirimidinas y otras bases heterocíclicas en mononucleótidos, la citosina fosforribosiltransferasa no se ha identificado en ningún organismo vivo descubierto hasta la fecha (Ou et al., 2020). Esto es especialmente significativo porque las enzimas estrechamente relacionadas son ubicuas. La enzima faltante debe emerger de manera consistente como resultado de mutaciones aleatorias en contrapartes existentes, por lo que su ausencia debe reflejar una fuerte contra-selección natural contra el rescate total de nucleótidos de citosina. Una consecuencia relacionada de esta tendencia decreciente en la citosina en el genoma del SARS-CoV-2 es una pérdida progresiva paralela de residuos de guanina, porque G complementa C durante la replicación explicando la disminución algo paralela en el contenido de G del virus. Esto tendrá consecuencias interesantes, que se analizan a continuación, ya que la guanina es el objetivo de reacciones de defensa específicas que involucran especies reactivas de oxígeno (ROS).

Como era de esperar, entonces, la evolución ha retenido funciones metabólicas en los huéspedes que interfieren con el desarrollo del virus. vía manipular la síntesis de CTP. La síntesis de un análogo antiviral de CTP - una fascinante analogía natural con la forma en que los químicos humanos crean nucleótidos antivirales - 3′-desoxi-3 ′, 4′-didehidro-CTP (ddhCTP) por proteínas de la viperina (proteína inhibidora de virus, endoplásmica asociado al retículo, inducible por interferón), es omnipresente en el arsenal antiviral innato de los mamíferos (Kang et al., 2020) sino también en ostras (Green et al., 2015) e incluso en Bacteria and Archaea (Bernheim et al., 2020). Este inhibidor obstaculiza simultáneamente las cuatro funciones clave de CTP: síntesis de ARN, adición de CCA al extremo 3 'de los ARNt, síntesis de lípidos de membrana dependiente de nucleótidos de citosina y, por último, pero no menos importante, síntesis del portador universal de sustratos de glicosilación de proteínas, dolichyl fosfato (Ou et al., 2020). La consecuencia de este cuello de botella metabólico es que el SARS-CoV-2 evoluciona mientras elimina parte de su contenido de citosina, a menos que una configuración metabólica muy específica del huésped haya aliviado esta limitación (ver más abajo). Por lo tanto, los residuos de citosina que permanecen sin cambios pueden ser una prueba (ya sea a nivel de ARN o de aminoácidos codificados) de su importancia en la perpetuación de la infección viral. Esto señalaría objetivos importantes para los antivirales COVID-19. Por lo tanto, se vuelve fundamental monitorear, durante su evolución a corto plazo, cómo los diferentes linajes del virus hicieron frente a esta limitación. Esto incluye señalar una posible reversión de la tendencia a eliminar la citosina, ya que la reversión implicaría un cambio en el control de la CTP sintetasa y la inhibición por viperina, al tiempo que se abre considerablemente el panorama de la evolución del virus. Nuevamente, esto aboga por recolectar tantas secuencias completas como sea posible del genoma del virus.

La urgente necesidad de obtener una comprensión más profunda de las relaciones entre la inmunidad y el metabolismo se verá favorecida por el aumento masivo actual de los estudios filogenéticos comparativos del virus en varias especies. La comparación con diferentes configuraciones metabólicas, en particular con el metabolismo de los murciélagos, debería ser extremadamente informativa a este respecto y ayudarnos a anticipar algunas de las limitaciones del panorama evolutivo del virus. Es intrigante que estos animales sigan diseminando virus, generalmente mantenidos como comensales no virulentos, mientras que el metabolismo rápido se seleccionó a medida que los murciélagos evolucionaron en vuelo (Shen et al., 2010). Volar es una actividad que consume mucha energía y genera una gran cantidad de ROS. Curiosamente, sin embargo, los ROS tienen una considerable positivo papel en la defensa contra patógenos vía el estallido respiratorio / oxidativo por macrófagos y neutrófilos (Piacenza et al., 2019). Aunque rara vez se explora, este resultado positivo del rápido recambio metabólico puede contribuir a la aparente inocuidad de las infecciones virales en los murciélagos. Sin embargo, la falta de restauración de la homeostasis redox posterior a las respuestas antivirales desencadenadas por la infección puede conducir a la liberación no regulada de ROS, citocinas prooxidantes y patología por inflamación excesiva. La regulación de este proceso es particularmente relevante para múltiples eventos progresivos en infecciones pulmonares, una característica común de COVID-19 grave (y por supuesto, "covid prolongado"). Paralelamente, el exceso de ROS tendrá un impacto considerable en el genoma viral, lo que resultará en la formación de 8-oxoguanina, que desencadena eventos de mutación de transversión de G & gt U durante la replicación. Por lo tanto, se espera que los coronavirus hayan desarrollado defensas que alivien la carga de este ataque químico. Monitorear cambios consistentes en el número de transversiones en linajes específicos del virus es, por lo tanto, de gran importancia (Cluzel et al., 2020 ).

Evolución a corto plazo del virus: mayor transmisibilidad

A corto plazo, un virus recién adquirido de una especie diferente debe adaptar las tasas de su potencial de multiplicación, así como su capacidad para infectar a sus nuevos huéspedes. Esto favorece la acumulación de mutaciones en todas las entidades que afectan estos procesos. El desarrollo temprano más probable en una epidemia es que el virus aumentará su velocidad de propagación. Este desarrollo se deriva de dos funciones generales. El más probable es un aumento en la transmisión: muchos parámetros sociales son relevantes, incluidos los entornos abarrotados, la producción estable y prolongada de aerosoles infecciosos por parte de un subconjunto de pacientes, el aumento de la fase de latencia, etc. Una segunda característica crítica vería un aumento en el éxito de la replicación viral, con la consecuencia tranquilizadora de que una tasa de multiplicación rápida generalmente se asocia con un aumento en la carga de mutaciones.

Se ha observado una tendencia promedio de aproximadamente 22 mutaciones por genoma por año durante el primer período de invasión de la población humana por el SARS-CoV-2. De acuerdo con el escenario descrito anteriormente, se ha observado una disminución general de los nucleótidos C, a partir de un contenido de C más alto aún no explicado en la mayoría de los genomas virales de murciélagos (Matyášek y Kovařík, 2020 Ou et al., 2020 Simmonds, 2020). Un sitio web (http://www.bio8.cs.hku.hk/sarscov2) realiza un seguimiento del porcentaje de C en las nuevas cepas (Luo et al., 2020). La continua aparición de mutaciones también está permitida por la esperada versatilidad funcional y resiliencia de las secuencias de proteínas. Se controló la evolución del proteoma durante los primeros 6 meses de la pandemia (Lubin et al., 2020). Muchas de las mutaciones conducen a cambios de aminoácidos en las proteínas virales, lo que sugiere que la selección positiva está operando a un nivel significativo (Cluzel et al., 2020). Si bien la adaptación del virus a un nuevo huésped no implica que causará una enfermedad grave, algunos de los cambios deben tener consecuencias en términos de gravedad de COVID-19. Debemos señalar en particular que la eliminación de residuos de C hará que la interferencia ddhCTP sea menos eficiente, por lo que esto podría promover una mayor virulencia. La Figura 3 muestra el patrón de cambios en todas las proteínas del virus en función del tiempo. El número medio de mutaciones por cepa aumentó a una tasa de

1 mutación por mes en los primeros 8 meses de la pandemia (de diciembre de 2019 a julio de 2020), pero luego aumentó a una tasa relativamente menor en

0.5 mutación por mes (de agosto de 2020 a enero de 2021).

A. Recuento promedio de mutaciones por cepa en cada mes desde diciembre de 2019 hasta enero de 2021.

B. La distribución de los recuentos de mutaciones por cepa en cada mes desde diciembre de 2019 hasta enero de 2021. En (A), la etiqueta de datos muestra el número de cepas disponibles en ese mes en nuestro análisis. [La figura de color se puede ver en wileyonlinelibrary.com]

Es poco probable que la tasa de mutación espontánea sea muy diferente a lo largo de la secuencia del genoma; sin embargo, algunos loci evolucionan rápidamente, mientras que otras regiones parecen estar extremadamente restringidas. En regiones de rápida evolución, la presión de selección se relaja con respecto a la multiplicación general del virus, de modo que pueda adaptarse rápidamente a la respuesta antiviral del huésped. Esta observación debería impulsar el seguimiento de si la evolución de funciones específicas se correlaciona con entornos con tasas de transmisión más altas o más bajas, en paralelo con los cambios en la gravedad de la enfermedad. Las mutaciones que a menudo se asociaron con enfermedades leves afectaron a las proteínas Orf8, Nsp6, Orf3a, Nsp4 y la fosfoproteína N de la nucleocápside. N se asoció con un resultado grave. Finalmente, las mutaciones asociadas con un resultado severo se han localizado en Orf3a, nuevamente, y Nsp7. Desafortunadamente, el papel de estas proteínas rara vez se discute en el contexto de la propagación de la enfermedad. Además, además del papel generalizado de S en el desencadenamiento de una respuesta inmune, entre las 22 mutaciones que se asociaron con cambios significativos en el resultado clínico de la enfermedad (ya sea en la dirección de la mitigación o la gravedad), cuatro (tres que se correlacionan con una enfermedad grave , uno con una enfermedad leve) mapeado en un tramo fosforilado de 10 aminoácidos de largo de la nucleocápsida N. Esto apunta a un sitio muy relevante en el genoma viral (Nagy et al., 2021 ).

Mientras algunos en silico y ex vivo Los análisis intentaron investigar si las mutaciones eran perjudiciales para el virus, tendían a estar orientadas a la estructura, más que a las funciones, lo que perjudica las inferencias que se pueden concluir. Solo se puede entender si una mutación es realmente perjudicial si el linaje relacionado no persiste por mucho tiempo. Después de un tiempo en el que no estaba claro si la rápida propagación de algunas variantes se debió a un efecto fundador vinculado a eventos de superpropagación, ahora parece establecido que algunas mutaciones están afectando la propagación de la enfermedad (Borges et al., 2020). Esta vista es esencialmente descriptiva, a posteriori. Además, pocas veces se tiene en cuenta el hecho de que un virus es una entidad con funciones altamente integradas. Para anticipar su evolución debemos evaluar la epistasis funcional entre las distintas entidades que forman el virus, es decir, cómo el acoplamiento de diferentes mutaciones contribuye a la aptitud viral. En el presente caso, este tipo de análisis identificó interacciones entre loci en genes SARS-CoV-2 Orf3a y Nsp2, Nsp12 y Nsp6, entre Orf8 y Nsp4, y entre loci en genes Nsp2, Nsp13 y Nsp14 (Zeng et al., 2020). Esto es revelador, ya que algunas de estas interacciones aún no se han relacionado con la gravedad de la enfermedad (ver más arriba). Por lo tanto, es de considerable interés monitorear aún más cómo está evolucionando la secuencia de proteínas que aún no estaban correlacionadas con la gravedad. Como consecuencia importante de dicha encuesta, la identificación de linajes asociados con casos leves o graves de la enfermedad debería permitir una adaptación más precisa del manejo político del comportamiento relevante para la transmisión de la enfermedad (mediante la regulación del distanciamiento social, el uso de máscaras, viajes, etc. .), a la evolución de las funciones virales clave identificadas en el proceso.

La carga de los distintos pasos del ciclo del virus cambia cuando el virus permanece en una población durante mucho tiempo. Los coronavirus evolucionaron conjuntamente con las poblaciones humanas, y hay indicios de que una red de genes humanos puede proteger parcialmente a las personas del este de Asia (Souilmi et al., 2020). Curiosamente, algunas de las proteínas más esenciales del virus no variaron. Por ejemplo, las secuencias de aminoácidos de la proteasa Nsp5 están muy conservadas, mucho más allá de las variantes del SARS-CoV-2 y también en todos los coronavirus conocidos. Las proteínas que no varían débilmente o que se conservan entre familias de virus son objetivos potenciales para los antivirales de amplio espectro. El SARS-CoV-2 Nsp5 es idéntico en un 95% en la secuencia de aminoácidos a la del SARS-CoV-1. Su estructura tridimensional podría usarse para diseñar inhibidores, un enfoque que tuvo éxito en el caso del VIH (Lubin et al., 2020). Otra característica clave que debe vincularse con los metadatos relevantes es la correlación entre la variación en la letalidad y mutaciones específicas.Entre las 692 secuencias del genoma del SARS-CoV-2, se observó una asociación estadísticamente significativa con el origen geográfico y la gravedad del caso de COVID-19. En particular, la variación geográfica en sí misma se asoció tanto con la gravedad del caso como con la variación alélica, especialmente en cepas de origen indio (Goyal et al., 2021). Esta observación es fundamental y debería impulsar la secuenciación sistemática de secuencias completas del genoma del SARS-CoV-2 mientras se sigue su evolución geográfica. Las tendencias en la virulencia deben monitorearse cuidadosamente y las variaciones locales deben desencadenar políticas diferenciadas de contención.

Una advertencia en la gestión de nuestras anticipaciones: variantes de propagación rápida

Como se describe brevemente, el desarrollo temprano más probable de una epidemia es cuando el virus aumenta su velocidad de propagación. Esto puede resultar de dos funciones generales, un aumento en la transmisión (aquí muchos parámetros son relevantes, incluidos los entornos abarrotados, la producción estable y prolongada de aerosoles infecciosos por un subconjunto de pacientes, etc.) y un aumento en el éxito de la replicación viral. El papel de estos procesos es visible con varias familias de variantes que se están propagando rápidamente y reemplazando a las cepas preexistentes del virus (https://nextstrain.org/ncov/global). El primer ejemplo documentado de este desarrollo fue la mutación D614G en la proteína de pico, que mejora la escisión en la unión S1 / S2 (Gobeil et al., 2021). Desde entonces, al menos ocho clades principales, según la definición de la Iniciativa Global para Compartir Todos los Datos de Influenza (GISAID): S, O, L, V, G, GH, GR y GV, se han encontrado en el momento de escribir este artículo el planeta (https://www.gisaid.org/phylodynamics/global/nextstrain/) con un patrón específico en Asia que involucra variantes G, GH, GR, L, S, O (Sengupta et al., 2021), y en Europa, donde el virus ahora está evolucionando rápidamente hacia múltiples linajes nuevos (Hodcroft et al., 2021b).

Desafortunadamente, la nomenclatura variante es algo inestable y confusa: Nexstrain, un proyecto de código abierto para aprovechar el potencial científico y de salud pública de los datos del genoma de patógenos (https://nextstrain.org) propuso cinco clados variantes 19A, 19B, 20A, 20B y 20C. Qingtian Guan y colaboradores también propusieron que los linajes se distribuyeran en cinco clados, pero con nombres diferentes: G614, S84, V251, I378 y D392 (Guan et al., 2020), que están algo relacionados con los clados A, B, B.1, B.1.1 y B.1.177 propuestos por Andrew Rambaut y colaboradores, basados ​​en la epidemia en el Reino Unido (https://virological.org/ t / caracterización-genómica-preliminar-de-un-linaje-sars-cov-2-emergente-en-el-reino unido-definido-por-un-nuevo-conjunto-de-mutaciones-pico / 563).

La superposición de estas clasificaciones es otra serie de seis clados y sus SNP de firma subyacentes, que fue validada por la disponibilidad temprana de secuencias variantes. Por ejemplo, un clado de tipo VI se caracterizó por los cuatro SNP de firma C241U (5′UTR), C3037U (Nsp3 F924F), C14408U (nsp12 P4715L) y A23403G (Spike D614G), con fuertes asociaciones alélicas. Esta variante se convirtió en un tipo dominante muy temprano (H.-C. Yang et al., 2020a) y está dominado por la evolución de C a U. Como ilustración de los cambios en el dominio de clados, en el estado indio de Telangana, el clado 19A original (Wuhan) fue rápidamente reemplazado por el clado 20A con la omnipresente mutación C241U en el 5′UTR del virus y la mutación pico D614G, seguida por 20B, que ahora es dominante (Gupta et al., 2021). Posteriormente, se encontró que muchos otros cambios en la proteína de pico se propagaban rápidamente (Vilar e Isom, 2021), lo que demuestra que la mayor parte de la presión de selección sobre esta proteína proviene de la adaptación al huésped. Por lo tanto, podemos anticipar que esta proteína, y en menor medida la proteína de la nucleocápside, evolucionará más rápidamente bajo la presión de selección de la vacunación. Esto se refleja en la Fig. 4 y la Fig. S1 que muestran cómo se propagaron las mutaciones en el mundo. Sin embargo, debido a la recopilación de datos extremadamente desigual, esta es solo una descripción general general de la situación, lo que enfatiza la necesidad de programas integrales de secuenciación del genoma viral en los que se muestre la densidad de mutaciones a medida que el virus se desarrolla en diferentes países. Si bien la densidad de mutación global de la proteína de pico aumenta gradualmente, países como México y Brasil han mostrado un fuerte aumento desde septiembre de 2020.

Tras la publicación de estos estudios, se informó la aparición de otras variantes importantes. En el momento de escribir este artículo, circulan ampliamente varias variantes con una serie de mutaciones (https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/more/science-and-research/scientific-brief-emerging-variants.html ), y la variante del Reino Unido, B.1.1.7, la variante sudafricana, B.1.351, y la variante brasileña, B.1.248 (Firestone et al., 2021) se están extendiendo por todo el mundo. Muchas mutaciones varían simultáneamente (https://covariants.org). Esto puede resultar de la evolución convergente, lo que implicaría interacciones epistáticas entre ciertas mutaciones. Es probable que la identificación de tales mutaciones señale características funcionales del virus que deberían permitir anticipar su evolución posterior y posiblemente una tendencia a atenuar su virulencia. Entre las características de estas variantes se encuentra, además de una serie de mutaciones, la presencia de una pequeña deleción en la variante del Reino Unido. En general, es importante tener en cuenta que, durante la evolución, las inserciones / deleciones son comunes (ver Fig. 2). De hecho, una inserción en el genoma del virus de un murciélago está en el origen de la infección por el SARS-CoV-2 en los seres humanos. La covariación se ilustra en el linaje B.1.525, una variante nueva e interesante identificada en 13 países con mutaciones de proteína de pico E484K, Q677H, F888L y un conjunto de deleciones idénticas a las encontradas en B.1.1.7 (https: // cov-lineages. org / global_report_B.1.525.html). Sin embargo, si vamos a anticipar el futuro de la epidemia, debemos ser conscientes de la importancia potencial de las mutaciones distintas de las que afectan a la proteína de pico.

En este punto, no está claro si la mutación D614G afecta o no la gravedad de la enfermedad. Sin embargo, de las tres variantes principales (Zhou et al., 2021) que se han identificado recientemente, se ha demostrado explícitamente una mayor gravedad en la variante B.1.1.7 (Davies et al., 2021). Muchas otras variantes están reemplazando progresivamente cepas anteriores del virus, entre las que B.1.525 (Dinamarca, Reino Unido, Nigeria) es de gravedad desconocida pero con un potencial de transmisión creciente.

Algunos ejemplos de variaciones importantes fuera de la proteína de pico

La mayoría de las observaciones son simplemente descriptivas, sin embargo, es fundamental identificar alteraciones de las funciones virales, especialmente fuera de las variantes esperadas de proteínas de pico, que impactan su evolución. Por ejemplo, podemos esperar que la alteración del proceso de replicación tenga dos consecuencias muy contrastantes. Por un lado, perjudicará la propagación de variantes y conducirá a la desaparición del virus a largo plazo, pero, por otro lado, puede ampliar sus perspectivas evolutivas a corto plazo. En este contexto, la observación de la tendencia del virus a crear «floraciones» evolutivas con una explosión de linajes debería estar relacionada, por ejemplo, con una posible reversión de la tendencia natural del virus a eliminar la citosina (Cluzel et al., 2020). En efecto, este proceso, valioso para anticipar las consecuencias de la evolución viral, generó varios clados durante los primeros 6 meses de la epidemia (Koyama et al., 2020 ).

Entre las variaciones notables, la omnipresente mutación C241U en el 5′UTR del genoma viral, no se ha relacionado con ningún fenotipo específico. Comúnmente interpretado como neutro, permite que el virus alcance un nivel menor de adaptación al metabolismo de su huésped, con una resistencia mejorada a la acción de la viperina. Además, se encuentra en el líder 5'UTR del genoma viral, lo que es particularmente importante por su control de la traducción y la especificidad del hospedador (Tidu et al., 2020). Tras ese cambio, hay muchos ejemplos de floraciones. Por ejemplo, una interesante sucesión de mutaciones comenzó con una mutación temprana, G11083U (proteína Nsp6, L37F) ahora ampliamente distribuida en todo el mundo y asociada con clados muy diferentes en la India, por ejemplo (Banerjee et al., 2020). Sin embargo, otra mutación, G1440A (G392D, proteína Nsp2), seguida de G2891A (A876T, dominio similar a ubiquitina de la proteína Nsp3) se encontró en varios países (Liu et al., 2020), destacando posteriormente un conflicto entre la traducción de Orf7a y Orf7b. Esto mostró que existe un dilema de costo / beneficio para la expresión de cualquiera de estas proteínas. Vale la pena seguir el descenso del virus en este locus, ya que puede dar lugar a formas atenuadas interesantes (Cluzel et al., 2020). De la misma manera, la región Orf8 de los coronavirus relacionados con el SARS es hipervariable. Sigue cambiando durante el curso de las epidemias, lo que demuestra que está sujeto a una presión de selección continua, produciendo a veces dos péptidos Orf8a y Orf8b (S. Chen et al., 2020b). Durante la primera parte de la epidemia, las mutaciones Orf8 mostraron una ramificación que apareció en cuatro países diferentes y en siete muestras, abarcando 6 semanas entre la primera y la última mutación (Cluzel et al., 2020). Las proteínas Orf8 se expresan al final del ciclo de infección. Será importante monitorear la forma en que contribuyen a la evolución de la virulencia del virus (Neches et al., 2021 ).

Finalmente, es de evidente interés monitorear la evolución del virus replicasa, Nsp12. Al principio de la epidemia, otra sucesión de mutaciones que comenzaba con la mutación generalizada del extremo 5 'C241U fue seguida por la mutación C14408U (P314L) al final de un dedo de zinc en Nsp12. Esta mutación apareció en muchas ramas del árbol evolutivo viral. Alteró la actividad de la replicasa de manera notable, ya que esta mutación fue seguida por «floraciones» de nuevos linajes del virus, lo que sugiere que un proceso de replicación alterado era mutagénico (Cluzel et al., 2020). Un ejemplo, que debe ser monitoreado cuidadosamente, la sucesión muy interesante: mutación de la proteína pico A23403G (D614G), C3037U (sinónimo), mutación G25563U (Q57H) en Orf3a que forma canales de potasio y se supone que interfiere negativamente con la función de la proteína. (Issa et al., 2020), C1059U (T265I) en la proteína Nsp2 y el triplete G4181A (A1305T) en el dominio SUD-N de la proteasa Nsp3, luego las mutaciones G4285U (E1340D) y G28209U dieron como resultado el final de la traducción en E106 de la proteína Orf8. nuevamente como un marcador importante de la evolución del virus (Neches et al., 2021). Ahora que ha pasado 1 año desde el inicio de la pandemia, se deben utilizar nuevas interpretaciones para explorar las mutaciones que continúan apareciendo, especialmente en un contexto en el que la vacunación se está acelerando.

Vacunación y sus consecuencias esperadas

La vacunación ha sido el método de elección para controlar e incluso erradicar las enfermedades infecciosas. Sin embargo, si bien es bastante sencillo en muchos casos, ha sido difícil crear vacunas eficaces contra varios virus, como el VIH (Oyston y Robinson, 2012). Se han diseñado muchos tipos de vacunas a lo largo de los años (Smith, 2012), luego del éxito inicial debido a la inyección de virus atenuados (Theiler y Smith, 1937). En el caso de los coronavirus, las vacunas se han utilizado con éxito en enfermedades animales (Cruz et al., 2010 Singh et al., 2019). Por lo tanto, se espera que, al menos durante el desarrollo temprano de la enfermedad, la vacunación sea exitosa. Sin embargo, como hemos visto, el virus evoluciona muy rápido, por lo que existe un riesgo continuo de que el virus mute de manera que las vacunas COVID-19 iniciales sean menos efectivas. Varias cepas son características evolutivas comunes, con un impacto probable en la vacunación (Zeng et al., 2017). Este parece ser el caso de la variante B.1.351 identificada por primera vez en Sudáfrica, que puede hacer que las vacunas iniciales sean menos efectivas o incluso ineficaces (Diamond et al., 2021). Además, si una campaña de vacunación es demasiado lenta, proporcionará al virus tiempo para desarrollar variantes que puedan escapar por completo a la inmunidad inducida por la vacuna. En este sentido, una vacuna basada en una única proteína del virus o, peor aún, en un dominio de una proteína viral (J. Yang et al., 2020b), impulsará la trayectoria evolutiva del virus de tal manera que las variantes que portan mutaciones en estas proteínas o dominios de proteínas tenderán a acumularse rápidamente.

Las infecciones por otras causas también pueden influir en la evolución del virus. Para la infección por SARS-CoV-1, el hecho de que ciertas poblaciones parecieran estar a salvo de la infección sugirió que infecciones previas podrían haber inducido protección cruzada (Ng et al., 2003). Hemos señalado anteriormente la correlación aparentemente paradójica entre el hábito de fumar y las infecciones más leves. Esto implica que podría aparecer un vínculo entre la influenza, la vacunación contra la influenza y la progresión de la enfermedad COVID-19. La infección por un virus de la influenza parece aumentar la infectividad del SARS-CoV-2 (Bai et al., 2021). Sin embargo, los estudios retrospectivos no encontraron interacciones negativas entre la vacunación contra la influenza y COVID-19, sino todo lo contrario (Green et al., 2020). En conjunto, todas las observaciones relevantes requieren la implementación de un programa de vacunación rápida, mientras se monitorean los cambios probables en la evolución del genoma del virus a medida que continúa propagándose en la población parcialmente vacunada. Una consecuencia de estas observaciones es que la anticipación del futuro de la enfermedad debe considerar por separado a las poblaciones vacunadas y no vacunadas.

Evolución a largo plazo

Las epidemias de gripe de 1918-1919 pueden ayudarnos a anticipar lo que puede suceder con la epidemia de COVID-19. Si bien sigue siendo algo difícil reconstruir un escenario explícito de lo sucedido en ese momento, se establece que la epidemia se desarrolló en tres fases. La primera fase fue similar a una grave epidemia de gripe, posteriormente se convirtió en una enfermedad muy grave, finalmente, se adaptó al huésped humano y finalmente evolucionó en su forma actual. La enfermedad también pasó del hombre al cerdo donde todavía está presente (Shope, 1936). La causa aparente de la forma grave se debió a un evento de reordenamiento (el virus de la influenza está formado por segmentos independientes que pueden reagruparse tras la coinfección con un virus similar) que introdujo variantes únicas de proteínas que ayudan al virus a multiplicarse. Curiosamente, estas variantes altamente virulentas no involucraron las proteínas hemaglutinina o neuraminidasa que son necesarias para que el virus infecte y se libere de las células huésped (Reid et al., 2004). Esto subraya nuevamente que es crucial considerar las características del virus más allá de las proteínas que son fácilmente reconocidas por el sistema inmunológico adaptativo.

El SARS-CoV-2 no se reordena porque está hecho de un solo elemento de ARN, pero es propenso a recombinarse con el ARN disponible. Como consecuencia, una característica evolutiva más preocupante del virus a corto plazo es que los coronavirus pueden sufrir una recombinación extensa. Los genomas de ARN generalmente se recombinan, pero existe una correlación inversa entre la longitud del genoma y la tasa de recombinación porque los genomas más largos codifican los factores de corrección de pruebas (Zhang et al., 2005 Goldstein et al., 2021). En el SARS-CoV-2, el control de este proceso depende de la actividad de la proteína Nsp14 (Gribble et al., 2021). La recombinación puede provenir naturalmente de la coinfección con diferentes cepas del mismo virus, y en este sentido, esto podría restablecer el trinquete de Muller al igual que la reproducción sexual y, en general, la transferencia horizontal de genes, un proceso que puede amplificarse a medida que se relajan las restricciones de viaje, pero también puede utilizar ARN de otros virus o incluso construcciones artificiales. En este sentido, el reemplazo de uridina por pseudouridina en vacunas recientes similares a ARNm podría haber sido una innovación positiva que alivió la presión de eventos de recombinación accidental que expandirían el potencial evolutivo del virus. Sin embargo, esta característica beneficiosa no tiene en cuenta las variantes temporales de la exonucleasa de corrección de pruebas Nsp14. El descenso de tales mutantes debe ser monitoreado cuidadosamente ya que es probable que abran los recursos evolutivos del virus, generando puntos calientes en sus proteínas de pico, nucleocápside y Orf8. Los coronavirus muestran un patrón global de recombinación, particularmente extendido en virus de ARN monocatenarios positivos (Zhang et al., 2005 Patiño-Galindo et al., 2021). Además de retroceder, los eventos de recombinación pueden juntar mutaciones que han aparecido en contextos muy diferentes. Dado que la recombinación del virus ocurre durante coinfecciones con diferentes variantes, se ve favorecida por condiciones que crean ambientes densamente poblados, especialmente ambientes cerrados (interiores), ambientes en los que el aire respirado por muchos individuos se recircula y ambientes donde la actividad vocal y por lo tanto la expulsión del virus. es alto. Por esta razón, es fundamental minimizar la exposición en dichos entornos, al menos hasta que la cobertura de vacunación sea casi completa o hasta que se disponga de fármacos antivirales eficaces.

Para anticipar el futuro de la epidemia debemos analizar cuidadosamente cómo evoluciona el tropismo del virus. En este momento, un tropismo respiratorio es dominante, pero sabemos en otros coronavirus que este puede evolucionar extremadamente rápido. Por ejemplo, tres cambios de aminoácidos en la proteína del pico del coronavirus aviar permitieron que el virus se uniera a las células renales (Bouwman et al., 2020b). En ratones, los coronavirus pueden mostrar neurotropismo (Pasick et al., 1994). La selección natural en la entrada y fusión celular está fuertemente relacionada con la estructura dinámica de la proteína de pico. Hemos visto que la inserción de un sitio de escisión de furina en un coronavirus de murciélago le permitió cambiar su anfitrión y adaptarse al receptor humano ACE2 (Coutard et al., 2020). Y ahora el virus ya ha encontrado otro receptor de entrada, a saber vía interacción con la proteína S, CD147, una proteína expresada en una variedad de células, incluidas las células epiteliales y neuronales, al menos en modelos in vitro (K. Wang et al., 2020c). Esto es importante porque el uso de múltiples receptores permite pasar de un tipo de célula a otro y, por lo tanto, de un órgano de entrada a otro. Por otro lado, el receptor MERS-CoV, dipeptidil peptidasa DPP4, está sujeto a polimorfismo que impacta negativamente en la entrada del virus (Kleine-Weber et al., 2020). Otros coronavirus explotan otros receptores: el coronavirus delta porcino utiliza la aminopeptidasa N como receptor de entrada e interactúa con APN a través del dominio S2 de su proteína de pico (Li et al., 2018). El coronavirus de la hepatitis de ratón (MHV) es el único coronavirus conocido que utiliza el dominio N-terminal de su pico para reconocer otro receptor de proteína, CEACAM1a (Shang et al., 2020 ).

Otra característica viral a destacar es la glicosilación de proteínas que protege al virus contra la degradación y que puede ser utilizada por el virus como una forma de ingresar a las células diana. Como ejemplo, el virus de la bronquitis infecciosa (IBV) por coronavirus de pollo ingresa a las células huésped al unirse fuertemente al virus. norte-pico de la proteína de unión glicosilada al receptor de ácido siálico unido a alfa-2,3 Neu5Ac (Bouwman et al., 2020a). El coronavirus humano OC43 aparentemente surgió de un derrame de coronavirus bovino (BCoV). Se adhiere a 9-O-receptores basados ​​en glicanos acetilados utilizan sialoglicanos a través de su proteína S con hemaglutinina-esterasa que actúa como una enzima destructora de receptores (Lang et al., 2020). El sitio de interacción con el receptor se conserva en todas las glicoproteínas del coronavirus S que interactúan con 9-O-acetil-sialogicanos, con una arquitectura similar a las de las bolsas de unión a ligandos de las hemaglutininas esterasas del coronavirus y las glicoproteínas de fusión de hemaglutinina-esterasa C / D del virus de la influenza (Tortorici y Veesler, 2019). Por lo tanto, debería desarrollarse el seguimiento de la respuesta de anticuerpos contra las glicoproteínas del virus en paralelo con los cambios en los residuos de aminoácidos glicosilados como consecuencia de las mutaciones.


Contenido

La celulosa fue descubierta en 1838 por el químico francés Anselme Payen, quien la aisló de la materia vegetal y determinó su fórmula química. [3] [10] [11] La celulosa se utilizó para producir el primer polímero termoplástico exitoso, el celuloide, por Hyatt Manufacturing Company en 1870. La producción de rayón ("seda artificial") a partir de celulosa comenzó en la década de 1890 y el celofán se inventó en 1912 Hermann Staudinger determinó la estructura polimérica de la celulosa en 1920. El compuesto fue sintetizado químicamente por primera vez (sin el uso de enzimas derivadas biológicamente) en 1992, por Kobayashi y Shoda. [12]

La celulosa no tiene sabor, es inodoro, es hidrófila con un ángulo de contacto de 20 a 30 grados, [13] es insoluble en agua y la mayoría de los solventes orgánicos, es quiral y es biodegradable. Se demostró que se derrite a 467 ° C en pruebas de pulso realizadas por Dauenhauer. et al. (2016). [14] Puede descomponerse químicamente en sus unidades de glucosa tratándolo con ácidos minerales concentrados a alta temperatura. [15]

La celulosa se deriva de D-unidades de glucosa, que se condensan a través de enlaces β (1 → 4) -glucosídicos. Este motivo de enlace contrasta con el de los enlaces α (1 → 4) -glucosídicos presentes en el almidón y el glucógeno. La celulosa es un polímero de cadena lineal. A diferencia del almidón, no se produce ningún enrollamiento o ramificación y la molécula adopta una conformación alargada y bastante rígida en forma de varilla, ayudada por la conformación ecuatorial de los residuos de glucosa. Los múltiples grupos hidroxilo en la glucosa de una cadena forman enlaces de hidrógeno con átomos de oxígeno en la misma cadena o en una vecina, manteniendo las cadenas firmemente juntas una al lado de la otra y formando microfibrillas con alta resistencia a la tracción. Esto confiere resistencia a la tracción en las paredes celulares donde las microfibrillas de celulosa se entrelazan en un polisacárido. matriz. La alta resistencia a la tracción de los tallos de las plantas y de la madera de los árboles también se debe a la disposición de las fibras de celulosa íntimamente distribuidas en la matriz de lignina. El papel mecánico de las fibras de celulosa en la matriz de madera responsable de su fuerte resistencia estructural, puede compararse un poco con el de las barras de refuerzo en el hormigón, desempeñando aquí la lignina el papel de la pasta de cemento endurecido que actúa como el "pegamento" entre la celulosa. fibras. Las propiedades mecánicas de la celulosa en la pared celular de la planta primaria están correlacionadas con el crecimiento y expansión de las células vegetales. [16] Las técnicas de microscopía de fluorescencia en vivo son prometedoras en la investigación del papel de la celulosa en el crecimiento de células vegetales. [17]

En comparación con el almidón, la celulosa también es mucho más cristalina. Mientras que el almidón experimenta una transición de cristalino a amorfo cuando se calienta a más de 60–70 ° C en agua (como en la cocción), la celulosa requiere una temperatura de 320 ° C y una presión de 25 MPa para volverse amorfa en agua. [18]

Se conocen varios tipos de celulosa. Estas formas se distinguen según la ubicación de los enlaces de hidrógeno entre y dentro de las hebras. La celulosa natural es celulosa I, con estructuras Iα y yoβ. La celulosa producida por bacterias y algas está enriquecida en Iα mientras que la celulosa de las plantas superiores se compone principalmente de Iβ. La celulosa en las fibras de celulosa regenerada es celulosa II. La conversión de celulosa I en celulosa II es irreversible, lo que sugiere que la celulosa I es metaestable y la celulosa II es estable. Con diversos tratamientos químicos es posible producir las estructuras celulosa III y celulosa IV. [19]

Muchas propiedades de la celulosa dependen de la longitud de su cadena o del grado de polimerización, el número de unidades de glucosa que componen una molécula de polímero. La celulosa de la pulpa de madera tiene longitudes de cadena típicas entre 300 y 1700 unidades de algodón y otras fibras vegetales, así como la celulosa bacteriana tiene longitudes de cadena que varían de 800 a 10,000 unidades. [6] Las moléculas con una longitud de cadena muy pequeña resultante de la descomposición de la celulosa se conocen como celodextrinas, en contraste con la celulosa de cadena larga, las celodextrinas son típicamente solubles en agua y disolventes orgánicos.

La fórmula química de la celulosa es (C6H10O5) n donde n es el grado de polimerización y representa el número de grupos glucosa. [20]

La celulosa de origen vegetal se encuentra generalmente en una mezcla con hemicelulosa, lignina, pectina y otras sustancias, mientras que la celulosa bacteriana es bastante pura, tiene un contenido de agua mucho más alto y una mayor resistencia a la tracción debido a cadenas de mayor longitud. [6]: 3384

La celulosa está formada por fibrillas con regiones cristalinas y amorfas. Estas fibrillas de celulosa se pueden individualizar mediante tratamiento mecánico de la pulpa de celulosa, a menudo asistido por oxidación química o tratamiento enzimático, produciendo nanofibrillas de celulosa semiflexibles generalmente de 200 nm a 1 µm de longitud dependiendo de la intensidad del tratamiento. [21] La pulpa de celulosa también puede tratarse con ácido fuerte para hidrolizar las regiones de fibrillas amorfas, produciendo así nanocristales de celulosa rígidos cortos de unos 100 nm de longitud. [22] Estas nanocelulosas son de alto interés tecnológico debido a su autoensamblaje en cristales líquidos colestéricos, [23] producción de hidrogeles o aerogeles, [24] uso en nanocompuestos con propiedades térmicas y mecánicas superiores, [25] y uso como Pickering estabilizadores para emulsiones. [26]

Biosíntesis Editar

En las plantas, la celulosa se sintetiza en la membrana plasmática mediante complejos terminales en roseta (RTC). Los RTC son estructuras proteicas hexaméricas, de aproximadamente 25 nm de diámetro, que contienen las enzimas celulosa sintasa que sintetizan las cadenas de celulosa individuales. [27] Cada RTC flota en la membrana plasmática de la célula y "hace girar" una microfibrilla en la pared celular.

Los RTC contienen al menos tres celulosa sintasas diferentes, codificadas por CesA (Ces es la abreviatura de "celulosa sintasa") genes, en una estequiometría desconocida. [28] Conjuntos separados de CesA los genes están implicados en la biosíntesis de la pared celular primaria y secundaria. Se sabe que hay alrededor de siete subfamilias en la planta. CesA superfamilia, algunas de las cuales incluyen la más críptica, tentativamente nombrada CSL enzimas (similares a la celulosa sintasa). Estas síntesis de celulosa usan UDP-glucosa para formar la celulosa unida a β (1 → 4). [29]

La celulosa bacteriana se produce utilizando la misma familia de proteínas, aunque el gen se llama BcsA para "celulosa sintasa bacteriana" o CelA para "celulosa" en muchos casos. [30] De hecho, las plantas adquiridas CesA del evento de endosimbiosis que produjo el cloroplasto. [31] Todas las celulosa sintasas conocidas pertenecen a la familia 2 de las glucosiltransferasas (GT2). [30]

La síntesis de celulosa requiere la iniciación y elongación de la cadena, y los dos procesos están separados. Celulosa sintasa (CesA) inicia la polimerización de celulosa usando un cebador esteroide, sitosterol-beta-glucósido y UDP-glucosa. Luego utiliza precursores de UDP-D-glucosa para alargar la cadena de celulosa en crecimiento. Una celulasa puede funcionar para escindir el cebador de la cadena madura. [32]

La celulosa también es sintetizada por animales tunicados, particularmente en las pruebas de ascidias (donde la celulosa se denominó históricamente "tunicina" (tunicina)). [33]

Desglose (celulólisis) Editar

La celulólisis es el proceso de descomposición de la celulosa en polisacáridos más pequeños llamados celodextrinas o completamente en unidades de glucosa; esta es una reacción de hidrólisis. Debido a que las moléculas de celulosa se unen fuertemente entre sí, la celulólisis es relativamente difícil en comparación con la descomposición de otros polisacáridos. [34] Sin embargo, este proceso puede intensificarse significativamente en un disolvente adecuado, p. Ej. en un líquido iónico. [35]

La mayoría de los mamíferos tienen una capacidad limitada para digerir fibra dietética como la celulosa. Algunos rumiantes como vacas y ovejas contienen ciertas bacterias anaeróbicas simbióticas (como Cellulomonas y Ruminococcus spp.) en la flora del rumen, y estas bacterias producen enzimas llamadas celulasas que hidrolizan la celulosa. Los productos de degradación son luego utilizados por las bacterias para la proliferación. [36] La masa bacteriana es luego digerida por el rumiante en su sistema digestivo (estómago e intestino delgado). Los caballos usan celulosa en su dieta por fermentación en su intestino posterior. [37] Algunas termitas contienen en sus intestinos ciertos protozoos flagelados que producen tales enzimas, mientras que otras contienen bacterias o pueden producir celulasa. [38]

Las enzimas utilizadas para escindir el enlace glucosídico en la celulosa son las hidrolasas de glucósido, incluidas las celulasas de acción endo y las glucosidasas de acción exo. Dichas enzimas generalmente se secretan como parte de complejos multienzimáticos que pueden incluir dockerinas y módulos de unión a carbohidratos. [39]

Desglose (termólisis) Editar

A temperaturas superiores a 350 ° C, la celulosa se somete a termólisis (también llamada 'pirólisis') y se descompone en carbón sólido, vapores, aerosoles y gases como el dióxido de carbono. [40] Rendimiento máximo de vapores que se condensan en un líquido llamado bioaceite se obtiene a 500 ° C. [41]

Los polímeros de celulosa semicristalinos reaccionan a temperaturas de pirólisis (350–600 ° C) en unos pocos segundos. Se ha demostrado que esta transformación ocurre a través de una transición de sólido a líquido a vapor, con el líquido (llamado celulosa líquida intermedia o celulosa fundida) existiendo por sólo una fracción de segundo. [42] La escisión del enlace glucosídico produce cadenas de celulosa cortas de dos a siete monómeros que comprenden la masa fundida. El burbujeo de vapor de celulosa líquida intermedia produce aerosoles, que consisten en anhidro-oligómeros de cadena corta derivados de la masa fundida. [43]

La descomposición continua de la celulosa fundida produce compuestos volátiles que incluyen levoglucosano, furanos, piranos, oxigenados ligeros y gases a través de reacciones primarias. [44] Dentro de las muestras de celulosa gruesa, los compuestos volátiles como el levoglucosano experimentan "reacciones secundarias" a productos volátiles, incluidos los piranos y los compuestos oxigenados ligeros como el glicolaldehído. [45]

Las hemicelulosas son polisacáridos relacionados con la celulosa que comprenden aproximadamente el 20% de la biomasa de las plantas terrestres. A diferencia de la celulosa, las hemicelulosas se derivan de varios azúcares además de la glucosa, especialmente la xilosa, pero también incluyen manosa, galactosa, ramnosa y arabinosa. Las hemicelulosas consisten en cadenas más cortas, entre 500 y 3000 unidades de azúcar. [46] Además, las hemicelulosas están ramificadas, mientras que la celulosa no está ramificada.

La celulosa es soluble en varios tipos de medios, varios de los cuales son la base de las tecnologías comerciales. Estos procesos de disolución son reversibles y se utilizan en la producción de celulosas regeneradas (como viscosa y celofán) de la pulpa disuelta.

El agente solubilizante más importante es el disulfuro de carbono en presencia de álcali. Otros agentes incluyen el reactivo de Schweizer, norte-metilmorfolina norte-óxido y cloruro de litio en dimetilacetamida. En general, estos agentes modifican la celulosa haciéndola soluble. A continuación, los agentes se eliminan concomitantemente con la formación de fibras. [47] La ​​celulosa también es soluble en muchos tipos de líquidos iónicos. [48]

La historia de la celulosa regenerada a menudo se cita como comenzando con George Audemars, quien fabricó por primera vez fibras de nitrocelulosa regenerada en 1855. [49] Aunque estas fibras eran suaves y fuertes, parecidas a la seda, tenían el inconveniente de ser altamente inflamables. Hilaire de Chardonnet perfeccionó la producción de fibras de nitrocelulosa, pero la fabricación de estas fibras mediante su proceso fue relativamente antieconómica. [49] En 1890, L.H. Despeissis inventó el proceso de cupramonio, que utiliza una solución de cupramonio para solubilizar la celulosa, un método que todavía se utiliza en la actualidad para la producción de seda artificial. [50] En 1891, se descubrió que el tratamiento de la celulosa con álcali y disulfuro de carbono generaba un derivado de celulosa soluble conocido como viscosa. [49] Este proceso, patentado por los fundadores de Viscose Development Company, es el método más utilizado para fabricar productos de celulosa regenerada. Courtaulds compró las patentes para este proceso en 1904, lo que llevó a un crecimiento significativo de la producción de fibra de viscosa. [51] En 1931, la expiración de las patentes para el proceso de la viscosa llevó a su adopción en todo el mundo. La producción mundial de fibra de celulosa regenerada alcanzó su punto máximo en 1973 con 3.856.000 toneladas. [49]

La celulosa regenerada se puede utilizar para fabricar una amplia variedad de productos. Si bien la primera aplicación de la celulosa regenerada fue como textil para prendas de vestir, esta clase de materiales también se utiliza en la producción de dispositivos médicos desechables, así como en la fabricación de membranas artificiales. [51]

Los grupos hidroxilo (-OH) de la celulosa pueden reaccionar parcial o totalmente con varios reactivos para producir derivados con propiedades útiles como principalmente ésteres de celulosa y éteres de celulosa (-OR). En principio, aunque no siempre en la práctica industrial actual, los polímeros celulósicos son recursos renovables.

Los derivados de éster incluyen:

Éster de celulosa Reactivo Ejemplo Reactivo Grupo R
Ésteres orgánicos Ácidos orgánicos Acetato de celulosa Ácido acético y anhídrido acético H o - (C = O) CH3
Triacetato de celulosa Ácido acético y anhídrido acético - (C = O) CH3
Propionato de celulosa Ácido propiónico H o - (C = O) CH2CH3
Propionato de acetato de celulosa (CAP) Ácido acético y ácido propanoico H o - (C = O) CH3 o - (C = O) CH2CH3
Butirato de acetato de celulosa (CAB) Ácido acético y ácido butírico H o - (C = O) CH3 o - (C = O) CH2CH2CH3
Ésteres inorgánicos Ácidos inorgánicos Nitrocelulosa (nitrato de celulosa) Ácido nítrico u otro potente agente nitrante. H o −NO2
Sulfato de celulosa Ácido sulfúrico u otro poderoso agente sulfurante H o −SO3H

El acetato de celulosa y el triacetato de celulosa son materiales que forman películas y fibras que encuentran una variedad de usos. La nitrocelulosa se utilizó inicialmente como explosivo y fue uno de los primeros materiales formadores de película. Con alcanfor, la nitrocelulosa da celuloide.

Los derivados del éter incluyen:

Éteres de celulosa Reactivo Ejemplo Reactivo Grupo R = H o Solubilidad del agua Solicitud Número e
Alquilo Halogenoalcanos Metilcelulosa Clorometano −CH3 Soluble en agua fría E461
Etilcelulosa Cloroetano −CH2CH3 Agua insoluble Un termoplástico comercial utilizado en recubrimientos, tintas, aglutinantes y tabletas de medicamentos de liberación controlada. E462
Etilmetilcelulosa Clorometano y cloroetano −CH3 o −CH2CH3 E465
Hidroxialquilo Epóxidos Hidroxietilcelulosa Óxido de etileno −CH2CH2OH Soluble en agua fría / caliente Agente gelificante y espesante
Hidroxipropilcelulosa (HPC) Óxido de propileno −CH2CH (OH) CH3 Soluble en agua fría E463
Hidroxietilmetilcelulosa Clorometano y óxido de etileno −CH3 o −CH2CH2OH Soluble en agua fría Producción de películas de celulosa
Hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) Clorometano y óxido de propileno. −CH3 o −CH2CH (OH) CH3 Soluble en agua fría Modificador de la viscosidad, gelificante, espumante y aglutinante E464
Etil hidroxietil celulosa Cloroetano y óxido de etileno −CH2CH3 o −CH2CH2OH E467
Carboxialquilo Ácidos carboxílicos halogenados Carboximetilcelulosa (CMC) Ácido cloroacético −CH2COOH Soluble en agua fría / caliente A menudo se utiliza como sal de sodio, carboximetilcelulosa de sodio (NaCMC) E466

La carboximetilcelulosa de sodio se puede reticular para dar la croscarmelosa de sodio (E468) para usar como desintegrante en formulaciones farmacéuticas.

La celulosa para uso industrial se obtiene principalmente de la pulpa de madera y del algodón. [6]

  • Productos de papel: la celulosa es el componente principal del papel, cartón y cartulina. Papel aislante eléctrico: La celulosa se utiliza en diversas formas como aislante en transformadores, cables y otros equipos eléctricos. [52]
  • Fibras: La celulosa es el ingrediente principal de los textiles. El algodón y los sintéticos (nailon) tienen cada uno alrededor del 40% del mercado por volumen. Otras fibras vegetales (yute, sisal, cáñamo) representan alrededor del 20% del mercado. El rayón, el celofán y otras "fibras de celulosa regeneradas" son una pequeña porción (5%).
  • Consumibles: La celulosa microcristalina (E460i) y la celulosa en polvo (E460ii) se utilizan como rellenos inactivos en comprimidos de fármacos [53] y una amplia gama de derivados de celulosa solubles, números E E461 a E469, se utilizan como emulsionantes, espesantes y estabilizadores en alimentos procesados. . El polvo de celulosa se usa, por ejemplo, en el queso procesado para evitar que se apelmace dentro del paquete. La celulosa se encuentra naturalmente en algunos alimentos y es un aditivo en los alimentos manufacturados, que aporta un componente no digerible que se usa para dar textura y volumen, lo que potencialmente ayuda a la defecación. [54]
  • Material de construcción: la unión de hidroxilo de celulosa en agua produce un material moldeable y pulverizable como alternativa al uso de plásticos y resinas. El material reciclable puede fabricarse resistente al agua y al fuego. Proporciona suficiente resistencia para su uso como material de construcción. [55] El aislamiento de celulosa hecho de papel reciclado se está volviendo popular como un material ambientalmente preferible para el aislamiento de edificios. Puede tratarse con ácido bórico como retardante del fuego.
  • Varios: La celulosa se puede convertir en celofán, una película delgada y transparente. Es el material base del celuloide que se utilizó para películas fotográficas y cinematográficas hasta mediados de la década de 1930.La celulosa se utiliza para fabricar adhesivos y aglutinantes solubles en agua, como metilcelulosa y carboximetilcelulosa, que se utilizan en pasta para papel tapiz. La celulosa se usa además para hacer esponjas hidrófilas y altamente absorbentes. La celulosa es la materia prima en la fabricación de nitrocelulosa (nitrato de celulosa) que se utiliza en pólvora sin humo.
  • Productos farmacéuticos: Los derivados de la celulosa, como la celulosa microcristalina (MCC), tienen las ventajas de retener agua, ser estabilizador y espesante, y como refuerzo de las tabletas de medicamentos. [56]

Edición aspiracional

El principal componente combustible de los cultivos energéticos no alimentarios es la celulosa, con la lignina en segundo lugar. Los cultivos energéticos no alimentarios producen más energía utilizable que los cultivos energéticos comestibles (que tienen un gran componente de almidón), pero aún compiten con los cultivos alimentarios por tierras agrícolas y recursos hídricos. [57] Entre los cultivos energéticos no alimentarios típicos se incluyen el cáñamo industrial, el pasto varilla, Miscanthus, Salix (sauce), y Populus (álamo) especie. Una cepa de Clostridium Las bacterias que se encuentran en el estiércol de cebra pueden convertir casi cualquier forma de celulosa en combustible de butanol. [58] [59] [60] [61]


Electrohilado para aplicaciones de ingeniería de tejidos

La ingeniería de tejidos hace uso de los principios de la medicina, la biología y la ingeniería y los integra en el diseño de sustitutos biológicos para restaurar, mantener y mejorar las funciones de los tejidos. Para fabricar un tejido funcional, las estructuras diseñadas deben poder imitar la matriz extracelular (MEC), proporcionar al tejido circulación de oxígeno y nutrientes, así como eliminar los desechos metabólicos en el período de regeneración del tejido. Se han realizado esfuerzos continuos para fabricar andamios tridimensionales funcionales avanzados para la ingeniería de tejidos. El electrohilado ha sido reconocido y ha servido como una de las técnicas más útiles basadas en la semejanza entre las fibras electrohiladas y los tejidos nativos. Durante las últimas décadas, se ha desarrollado una asombrosa variedad de armazones nanofibrosos para diversas aplicaciones biomédicas, como la regeneración de tejidos y la administración de agentes terapéuticos. La presente revisión tiene como objetivo proporcionar a los investigadores una comprensión profunda del papel prometedor y la región práctica de aplicabilidad del electrohilado en la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa, destacando los resultados de los estudios más recientes realizados en este campo. Abordamos las estrategias actuales utilizadas para mejorar las interacciones fisicoquímicas entre las células y la superficie nanofibrosa. También discutimos el progreso y los desafíos asociados con el uso del electrohilado para aplicaciones de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.


Materiales y métodos

Materiales vegetales y condiciones de crecimiento

El mutante CRISPR-Cas9 oslil3 (Oryza sativa ssp. rosal japonés CV. Nipponbare) se generó utilizando el sistema CRISPR-Cas9 en Biogle (http://www.biogle.cn/, Hangzhou, China). Un solo objetivo de sgRNA OsLIL3 en la ubicación 5′-GGCGCCTCGACAGTCTCCACGGG-3 ′ se creó en el vector BGK03 (Bai et al.2020) que contenía Cas9, que luego se transformó en Agrobacterium tumefaciens la cepa EHA105 y las plantas de arroz transgénicas se obtuvieron como se mencionó anteriormente (Nishimura et al. 2006). El ADN genómico de estos transformantes se secuenció para verificar el sitio de mutación preciso en el OsLIL3 También se investigó la secuencia mediante amplificación por PCR con pares de cebadores que flanquean el sitio objetivo y los posibles objetivos externos en función de la herramienta de predicción en línea CRISPR-P (http://cbi.hzau.edu.cn/cripr/) (datos suplementarios S1). La línea mutante 16- # 1, (planta CRISPR-Cas9 transgénica estable T2), es una deleción de 4 pb OsLIL3 mutante knock-out en comparación con las otras líneas. Como se analizó en el experimento de segregación, las deleciones de 3 pb y 9 pb no provocaron ningún cambio de marco en la traducción, mientras que solo la eliminación de 4 pb provocó una terminación prematura de la traducción de cambio de marco (datos suplementarios S2). Este mutante tiene un fenotipo clorótico y se usó para análisis adicionales. Los productos de PCR amplificados de tamaño (300-500 pb) se secuenciaron directamente y se analizaron mediante el método de decodificación de secuencias degeneradas (Ma et al. 2015) para identificar los sitios mutados.

Análisis TEM de estructuras de cloroplasto

Tercera hoja de WT de 1 semana y oslil3 Se usaron plántulas mutantes (etapa de 3 hojas) cultivadas a 28 ° C para preparar muestras para análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM, Philips CM100, Eindhoven, Países Bajos). Las muestras de hojas se fijaron en tampón de cacodilato de glutaraldehído al 2,5% a 4 ° C durante 12 h. La fijación se detuvo cambiando a tampón cacodilato que contenía sacarosa 0,1 M. Todos los experimentos posteriores se llevaron a cabo en la campana extractora. Las muestras de hojas se fijaron en tampón de cacodilato de tetróxido de osmio al 1% a 28 ° C durante 2 días y las muestras se lavaron varias veces con tampón de cacodilato (cacodilato de sodio 0,05 M en una solución acuosa a pH 7,2-7,4). Se realizó un procedimiento de deshidratación de la siguiente manera: a) etanol al 50% (10 min), etanol al 70% (10 min), etanol al 90% (10 min), etanol al 100% (20 min) (paso repetido 3 veces) b) 99 % de óxido de propileno (10 min) (paso repetido 2 veces). A continuación, los tejidos se infiltraron con una mezcla 1: 2 de resina epoxi / óxido de propileno durante 1,5 h, una mezcla 1: 1 de resina epoxi / óxido de propileno durante 1,5 h. y una mezcla 2: 1 de resina epoxi / óxido de propileno durante la noche a 28ºC. Luego, las muestras se infiltraron con resina epoxi fresca durante 3 ha 37 ° C en un horno de vacío. Estas muestras se embebieron finalmente en resina epoxi reciente en cápsulas de plástico y se polimerizaron a 60 ° C durante la noche. Se visualizaron secciones ultrafinas bajo el microscopio electrónico de transmisión (Philips CM100, Eindhoven, Países Bajos).

Extracción de ARN y control de calidad

WT y oslil3 Se recolectaron muestras de plantas mutantes en la etapa de plántula L3 y se recolectaron muestras de hojas enteras para la extracción de ARN (3 réplicas biológicas con 6-8 plantas individuales para cada réplica). Sale de oslil3 y WT se congelaron rápidamente en nitrógeno líquido y el ARN total se extrajo con el kit de ARN vegetal EZNA (Omega Bio-Tek, GA, EE. UU.) de acuerdo con las instrucciones del fabricante. La cantidad y pureza del ARN se comprobaron mediante el espectrofotómetro kaiaoK5500 (Kaiao, Beijing, China). La integridad y concentración del ARN se analizaron con el kit de ensayo RNA Nano 6000 del Bioanalyzer 2100 (Agilent Technologies, CA, EE. UU.). La concentración de ARN para la construcción de la biblioteca se midió usando el kit de ensayo de ARN Qubit en Qubit 3.0 (Life Technologies, Grand Island, NY, EE. UU.). Las diluciones se prepararon a una concentración de 1 μg · μl - 1.

Preparación y secuenciación de bibliotecas

Para la preparación de la biblioteca, se introdujeron 2 μg de ARN total en el kit de preparación de la biblioteca NEB Next Ultra RNA (New England Biolabs, NEB, EE. UU.) Para generar bibliotecas de secuenciación según la recomendación del fabricante. En resumen, el ARNm se purificó a partir del ARN total de entrada usando perlas magnéticas poli-dT unidas a oligo. A esto le siguió la fragmentación del ARN mediante la adición de cationes divalentes a temperatura aumentada. La síntesis de la primera hebra de ADNc (Takara, Japón) se realizó sobre el ARN fragmentado usando cebadores hexámeros aleatorios y el ARN restante se degradó usando ARNasa H (Omega Bio-Tek, EE. UU.). Posteriormente, se realizó una síntesis de ADNc de segunda hebra y los fragmentos resultantes se purificaron usando el kit QiaQuick PCR (QIAgen, Hiden, Alemania) seguido de reparación terminal, cola A y adición de adaptador. Finalmente, se llevaron a cabo reacciones de PCR para completar la preparación de la biblioteca.

El tamaño del inserto de la biblioteca se cuantificó utilizando el sistema de PCR en tiempo real StepOnePlus (concentración válida de la biblioteca & gt 10 nmol·L-1). La agrupación de muestras se realizó en un sistema de generación de agrupaciones cBot utilizando el kit de agrupación HiSeq PE v4-cBot-HS (Illumina, CA, EE. UU.). Posteriormente, las bibliotecas se secuenciaron en una plataforma Illumina HiSeq 4000 (Illumina, CA, EE. UU.) Para obtener lecturas de extremos emparejados de 150 pb.

Análisis de transcriptomas y expresión genética diferencial

Las lecturas se procesaron mediante un control de calidad utilizando el protocolo FastQC y se obtuvieron lecturas de alta calidad ("lecturas limpias") para mapear el genoma de referencia (ftp://ftp.ensemblgenomes.org/pub/plants/release-24/fasta/oryza_sativa/ ) en HISAT2 v2.0.5 (Kim et al.2015). Después de esto, el recuento de lecturas sin procesar para cada gen en cada muestra se obtuvo con HTSeq v0.6.0, y se calculó FPKM (Fragments Per Kilobase Million mapped reads) a partir de los recuentos de lecturas sin procesar para estimar el nivel de expresión génica de todos los genes expresados ​​en cada muestra.

Se realizaron análisis de componentes principales (PCA) para evaluar la varianza del transcriptoma en réplicas de muestras (Tsuyuzaki et al. 2020). La agrupación jerárquica organiza las muestras (unidades experimentales) en función de la expresión génica dentro de cada muestra utilizando el modelo de Poisson y una medida de disimilitud basada en estadísticas de razón de verosimilitud (Si et al. 2014).

Finalmente, DESeq2 v1.6.3 se utilizó para comparar los niveles de expresión génica entre oslil3 y WT. El nivel de expresión génica se determinó mediante regresión lineal calculando los cambios de veces para las comparaciones de muestras. Después, pagEl valor de este cambio de veces se calculó con la prueba de Wald. Finalmente, estos pag-Los valores fueron corregidos por el método BH para dar valores de q. Genes que pasan ambos puntos de corte del valor q ≤0.05 y | log2 pliegue cambio | ≥ 1 se identificaron como genes expresados ​​diferencialmente (DEG). Los análisis de enriquecimiento funcional se realizaron utilizando análisis de MapMan (https://mapman.gabipd.org/), clasificación funcional de GO (http://www.blast2go.org/) y análisis de vías de KEGG (https://www.genome.jp / kegg /) como se realizó anteriormente (Song et al.2020). El análisis de MapMan mapea los DEG de acuerdo con los valores de cambio de pliegue logarítmico en los mapas de ruta. La proporción rica en el análisis de GO se define como la cantidad de genes expresados ​​diferencialmente enriquecidos en la ruta / cantidad de todos los genes en esa ruta en el conjunto de genes de fondo. El tamaño de los puntos representa el número de genes y el color de los puntos representa la tasa de descubrimiento falso (FDR) (Zhang et al. 2020). Los análisis de KEGG trazan el número de genes que pertenecen a vías enriquecidas.

Ensayo Y2H

Codificación de regiones de OsLIL3 y OsPSY Los genes se clonaron sin péptido de tránsito y dominios transmembrana y se fusionaron en marco en el vector cebo pGBKT7 o el vector presa pGADKT7 con los cebadores correspondientes (Clontech, Mountain View, EE. UU.) (Datos suplementarios S3) y se verificó adicionalmente la secuencia correcta mediante secuenciación de ADN. Los procedimientos de transformación y selección de la levadura se realizaron de acuerdo con los protocolos del sistema Matchmaker Gold Levadura de dos híbridos (Y2H) (Clontech, Mountain View, EE. UU.). S. cerevisiae Se incubaron células de oro (Clontech, Mountain View, EE. UU.) Que se transformaron con diferentes combinaciones de construcciones de vector de cebo y presa en placas sintéticas definidas (SD) que carecían de Leu y Trp para la selección de cotransformantes. Posteriormente, las células de levadura cotransformadas se seleccionaron en placas de alta selección (SD –Leu –Trp –His + X-α-Gal + Aureobasidin A) para identificar colonias azules indicativas de interacciones proteína-proteína positivas.

Ensayo BiFC

BiFC se usa comúnmente para la detección de la interacción proteína-proteína en cultivos de tejidos de mamíferos vivos y la proteína fluorescente YFP y otros derivados de GFP se dividen en una parte N-terminal o C-terminal no superpuesta. Las regiones codificantes de longitud completa de OsLIL3 se clonaron en marco con el fragmento N-terminal de EYFP en el vector SPYNE (aminoácidos 1-155, pSPYNE). Por otro lado, las regiones codificantes de longitud completa de diferentes proteínas candidatas OsPSY se clonaron en marco con el fragmento C-terminal de EYFP en el vector binario SPYCE (aminoácidos 156-239, pSPYCE). Ambas secuencias de construcción se confirmaron con secuenciación de ADN. Diferentes combinaciones de vectores BiFC se expresaron transitoriamente en norte. Benthamiana sale por Agrobacterium infiltración como se describió anteriormente (Sparkes et al. 2006). Las señales fluorescentes en las hojas infiltradas se examinaron después de 48 a 72 h con un microscopio confocal (LSM710, Carl Zeiss Microscopy, Alemania).

Ensayo de inmunoprecipitación conjunta

El ensayo de coinmunoprecipitación se realizó de acuerdo con los métodos descritos en Jin et al. 2018 con algunas modificaciones menores. Brevemente, las construcciones que contienen la longitud completa de OsLIL3-FLAG y OsPSYs-HA se generaron con amplificación por PCR y la secuencia génica correcta se confirmó mediante secuenciación de ADN. Además, las combinaciones de co-infiltración fueron OsLIL3: FLAG y OsPSY1: HA, OsLIL3: FLAG y OsPSY2-HA, o OsLIL3: FLAG y OsPSY3: HA. Estos pares de construcciones se transformaron en N. benthamiana hojas con agroinfiltración (se infiltran suspensiones de agrobacterias que contienen las respectivas construcciones) y después de 48 h de incubación, las proteínas totales se extrajeron de las áreas foliares infectadas y se solubilizaron en tampón de lisis [Tris / Cl 10 mM pH 7,5 NaCl 150 mM 0,5 mM EDTA 0,5 % NP-40] con cóctel inhibidor de proteasa 1 mM (Sigma-Aldrich, EE. UU.) Y PMSF 1 mM (Sigma-Aldrich, EE. UU.). Las proteínas totales solubilizadas se incubaron con perlas de agarosa anti-HA (Thermo Scientific, EE. UU.) Durante 1 ha 4 ° C. El sobrenadante se descartó después de centrifugar a 2500 rpm durante 2 min a 4 ° C. Los gránulos restantes se enjuagaron con tampón de lavado [Tris / Cl 10 mM, pH 7,5, NaCl 150 mM, NP-40 al 0,25%] durante al menos tres veces y las perlas se transfirieron a un tubo nuevo y, posteriormente, se resuspendieron en 100 μl 2x SDS- tampón de muestra [Tris HCl 100 mM, pH 6,8, ditiotreitol 200 mM, SDS al 4%, azul de bromofenol al 0,2%, glicerol al 20%] y se hirvió. El sobrenadante se recogió para la inmunotransferencia con anti-FLAG monoclonal (1: 10000 Sigma-Aldrich, EE. UU.) Y anticuerpo monoclonal anti-HA (1: 5000, Abcam, Cambridge, Reino Unido). Las señales se detectaron usando un kit de detección de transferencia Western ECL (Amersham Life Science, Little Chalfont, Buchinghamshire, Inglaterra) en películas de rayos X de Kodak.

Análisis de inmunotransferencia de OsLIL3, OsGGR, OsPORB en oslil3

WT y oslil3 Se prepararon muestras de arroz mutante en la etapa de plántula L3 y se usaron para el análisis de inmunotransferencia. Para aislar las proteínas totales, se molieron hojas de arroz en tampón de aislamiento helado (Tris-HCl 50 mM pH 7.8, sacarosa 250 mM, KCl 25 mM, MgCl2 10 mM, 0.5% (v / v) β-mercaptoetanol, 0.5% (v / v) Triton X-100) y se centrifugaron a 13000 g durante 10 min. Se recogieron los sobrenadantes y se utilizaron para extraer muestras de proteínas para experimentos de inmunotransferencia. Los extractos de proteínas (30 μg) se sometieron a SDS-PAGE e inmunotransferencia como se describe (Lee et al., 2013). Se generaron anticuerpos anti-OsLIL3 (Kang Ti, Shenzhen, China) en los conejos contra un oligopéptido, AMIGFFMAYFVDSL, que corresponde a los residuos de aminoácidos de OsLIL3 en las posiciones 172 a 185. La inmunotransferencia se realizó utilizando anticuerpos policlonales de conejo contra OsLIL3 (1: 2000 ), GGR (1: 10000, Agrisera, Vännäs, Suecia), POR (1: 5000 Agrisera) o AtpB (1: 30000). Las membranas se incubaron con anticuerpos de cabra anti-conejo conjugados con peroxidasa de rábano picante (1: 25.000 Agrisera, Vännäs, Suecia). Las señales se detectaron usando un kit de detección de transferencia Western ECL (Amersham, Little Chalfont, Buchinghamshire, Inglaterra) en películas de rayos X de Kodak.

Localización subcelular de OsLIL3 y OsPSY2

La región codificante de OsLIL3 y OsPSY2 se clonó en marco con el gen EYFP en los vectores pCAMBIA1301-35S-NOS como se describió anteriormente (Li et al. 2014). Agrobacterium tumefaciens (cepa GV3101) que albergan construcciones 35S :: OsLIL3-EYFP y 35S :: OsPSY2-EYFP se ajustaron a OD600 = 0,8 en tampón MES (MES 10 mM, pH 5,5 y MgSO 10 mM4) e infiltrado en hojas de norte. Benthamiana (6 semanas de edad). Para agroinfiltración en norte. Benthamiana, A. tumefaciens Se incubaron cultivos (cepa GV3101) que albergaban construcciones a 28ºC en 10 ml de LB con 100 µg · ml - 1 de kanamicina durante 2 días. Las células se sedimentaron a 4000 rpm durante 15 min y se resuspendieron en medio de inducción a 28 ° C durante la noche. La señal fluorescente en las hojas infiltradas se examinó después de 3 días mediante microscopía confocal (LSM710 Carl Zeiss Microscopy, Alemania).

A continuación, se aislaron los cloroplastos de los infiltrados. norte. Benthamiana sale de. Las fracciones de estroma, envoltura y membrana tilacoide se prepararon como se describió anteriormente (Salvi et al. 2008). Las muestras de proteína del cloroplasto intacto, así como las fracciones de estroma, envoltura y tilacoide se separaron mediante gel SDS-PAGE al 10% para análisis electroforético. A continuación, las proteínas se transfirieron a membranas de nitrocelulosa (Amersham, Little Chalfont, Buchinghamshire, Inglaterra). Se realizaron experimentos de inmunotransferencia con anticuerpos policlonales de ratón contra GFP (dilución 1: 3000 Invitrogen, Life Technologies, Carls bad, CA, EE. UU.) Y anticuerpos policlonales de conejo contra RbcL, Lhca1, Tic110 (dilución 1: 5000, 1: 2000, dilución 1: 1000 , respectivamente Agrisera, Vännäs, Suecia), seguida de incubación con anticuerpos IgG anti-ratón de cabra conjugados con peroxidasa de rábano picante (Invitrogen, Life Technologies, Carls bad, CA, EE. UU. de dilución 1: 3000), o anticuerpos anti-conejo de cabra (1: 25.000 Agrisera, Vännäs, Suecia).

Ensayos de validación de qRT-PCR

La validación de los resultados de RNA-seq se realizó para 15 genes seleccionados de DEG que están involucrados en la fotosíntesis y otras vías usando RT-PCR cuantitativa (qRT-PCR). Las secuencias de los cebadores de genes se proporcionan en Datos suplementarios S3. El ARN total se extrajo como se mencionó anteriormente para ARN-Seq y el ADNc de primera hebra se sintetizó usando un kit TransScript One-Step gDNA Removal y cDNA Synthesis SuperMix utilizando cebadores oligodT (TransGen Biotech, Beijing, China). La qRT-PCR se llevó a cabo en el sistema de PCR en tiempo real ABI Step One Plus (Applied Biosystems, EE. UU.) utilizando el kit SYBR Premix Ex Taq RT-PCR (Takara Bio, Japón). Los programas de qRT-PCR fueron los siguientes: (i) 95 ° C durante 30 s, (ii) 40 ciclos de desnaturalización a 95 ° C durante 5 s, hibridación a 60 ° C durante 10 sy extensión a 72 ° C durante 10 s. Subunidad beta de la ATP sintasa de arroz (OsAtpB, Os10g21266) como controles negativos en este estudio. El gen de referencia de dos arroces Osactin1 (Os03g50885) y Osubiquitina (Os03g03920) se utilizaron como genes de control interno para la normalización de la expresión.

Análisis estadístico

Las estadísticas se realizaron utilizando IBM SPSS Statistics ver. 18 (SPSS Inc., IL, EE. UU.) Que emplea la prueba post-hoc de la prueba de rango múltiple de Duncan (DMRT) con un nivel de significancia establecido en PAG ≤ 0,05 para comparaciones de muestras. Los datos son la media ± SE de tres réplicas biológicas independientes. Se realizó la prueba t de Student para emplear el análisis de datos del ensayo qRT-PCR.


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Comentarios:

  1. Vaiveahtoish

    En él algo es. Claramente, gracias por una explicación.

  2. Maahes

    Por supuesto, me disculpo, pero ¿podría dar más información?

  3. Nikojin

    ¡frio!

  4. Oxnatun

    Soy definitivo, lo siento, pero sugiero pasar otro.

  5. Avimelech

    De acuerdo, mensaje útil

  6. Audric

    Lo siento, eso ha interferido... Esta situación me es familiar. Escribe aquí o en PM.



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