Este año fueron galardonados los científicos Katalin Karikó y Drew Weissman con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus descubrimientos que permitieron el desarrollo de vacunas de ARN mensajero (ARNm) efectivas contra la COVID-19 [1]. Veamos en este artículo cómo la ciencia detrás de la técnica de modificación de ARNm llega a ser aplicada de manera rápida en uno de los bioprocesos que salvó a la humanidad:

Experimentos con descubrimientos sin precedentes

La Dra. Katalin Karikó, bioquímica húngara, trabajaba como profesora auxiliar en la Universidad de Pensilvania en 1990 cuando decidió estudiar cómo la molécula de ARNm puede servir como un agente terapéutico ante diferentes enfermedades sin producir respuestas inflamatorias, dado que hasta esa fecha las evidencias científicas demostraban lo contrario. El ARN es una molécula biológica sintetizada en las células de cualquier organismo vivo a partir de su molécula análoga, el ADN, mediante un proceso llamado transcripción. Posteriormente, este ARN pasa por una serie de modificaciones a nivel molecular cuyo objetivo es darle estabilidad para luego ser transportado a los ribosomas como ARNm (m de mensajero) y producir proteínas en otro proceso molecular llamado traducción. En la misma Universidad, la Dra. Karikó se encontró con el Dr. Drew Weissman quien también estaba interesado en el comportamiento de un tipo de célula inmunitaria específicamente importante durante la activación de la respuesta inflamatoria inducida por vacunas. 

Los dos investigadores trabajaron arduamente y para la primera década de los 2000 tuvieron resultados demostrando que el ARNm sintetizado in vitro y, con algunas modificaciones en su estructura molecular, era capaz de generar proteínas en una mayor proporción sin ocasionar una respuesta inflamatoria (Ver Fig. 1). Estos hallazgos permitieron el desarrollo de tecnologías tales como vacunas, y las primeras vacunas en utilizar esta tecnología de ARNm fueron aplicadas para el combate del virus Zika y las del MERS-CoV. La más nueva aplicación de la terapia con ARNm fue plasmada en las vacunas Pfizer-BioNTech y Moderna. 

Del laboratorio a la industria

Si bien estos hallazgos permitieron el desarrollo de las vacunas en un laboratorio de investigación, ¿cómo se desarrolla su producción en masa para cubrir las necesidades de, por ejemplo, la población mundial durante la pandemia por COVID-19? En este sentido, el artículo: “Modelamiento y Evaluación Técnica Económica de un Proceso de Manufactura a Gran Escala de Vacuna Basada en ARNm usando SuperPro Designer” [2] demuestra cuáles serían los factores en los que los ingenieros químicos aportan para implementar bioprocesos y optimizarlos con el fin de masificar la producción, en este caso, de vacunas cumpliendo las Buenas Prácticas de Manufactura (BMP). Veamos de forma bastante simplificada cómo se lleva a cabo un proceso industrial para producir vacunas con tecnología de ARNm:

En primer lugar, se introduce la molécula de ADN junto con enzimas en condiciones dadas a un biorreactor de movimiento oscilante, donde se lleva a cabo la transcripción del ADN al ARNm. Luego, se procede a ejecutar las operaciones de filtración tangencial, cromatografía de afinidad y precipitación de la solución de cloruro de litio para eliminar las impurezas y se purifica el ARNm junto con enzimas y proteínas que llevan a cabo las modificaciones necesarias para luego ser purificado por métodos avanzados como cromatografía con oligonucleótidos y filtración con membranas especiales. Por último, se lleva el ARNm purificado a la nanoencapsulación en donde, con ayuda de dispositivos de microfluidos, se mezcla el ARNm con soluciones de etanol con lípidos para formar nanopartículas lipídicas obteniendo finalmente ARNm listo para codificar las proteínas necesarias. Esta solución es nuevamente purificada y envasada en la etapa de formulación con compuestos coadyuvantes para su uso como vacuna ante enfermedades (Figura 2).

Los ingenieros químicos son capaces de contribuir en proyectos multidisciplinares como estos desde las etapas de laboratorio, como en la producción en bioreactores de sustancias terapéuticas, hasta la conceptualización, el análisis, la optimización y la evaluación económica de procesos. Junto con los bioingenieros y profesionales de biotecnología, son el equipo ideal para llevar a la práctica lo que los descubrimientos científicos más relevantes, para resolver los desafíos complejos en este caso representado por la Pandemia derivada de la enfermedad COVID-19.

Referencias

[1] The Nobel Prize. ‘‘The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023’’ NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2023/summary/ (accessed Oct. 19, 2023)

[2] R. Da Gama & D. Petrides. «Messenger RNA (mRNA) Vaccine Large-Scale Manufacturing – Process Modeling and Techno-Economic Assessment (TEA) using SuperPro Designer.» ResearchGate, 2023. Available: https://www.researchgate.net/publication/356474248_Messenger_RNA_mRNA_Vaccine_Large_Scale_Manufacturing_-_Process_Modeling_and_Techno-Economic_Assessment_TEA_using_SuperPro_Designer . (accessed Oct. 19, 2023)

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