Dogma centrală a biologiei moleculare spune că ADN-ul este transcris în ARN mesager (ARNm), care, la rândul său, este tradus în proteine. Cercetătorii din diferite domenii (celule stem, cancer, vaccinuri), care au înțeles rolul de rețetar jucat de ARNm pentru miile de miliarde de celule din corpul uman, au visat mult timp să îl transcrie in vitro, adică să producă un ARNm editat de om. Ideea lor era că orice celulă din corpul uman poate fi transformată, la cerere, într-o fabrică de medicamente prin injectarea oamenilor cu un ARNm modificat după necesități. Au trebuit să treacă mai mult de 40 de ani până la fructificarea acestei idei, adică de la sfârșitul anilor 1970, când o cercetătoare din Ungaria pe nume Katalin Karikó a pionierat cercetarea ARN-ului mesager, și până în ziua de 14 decembrie 2020, când primul vaccin autorizat bazat pe tehnologia ARNm a fost administrat în Statele Unite.
Cronologia tehnologiei ARNm
Titlurile ziarelor si burtierele posturilor TV din întreaga lume s-au concentrat asupra repeziciunii cu care s-au realizat vaccinurile împotriva Covid-19, dar adevărul este că în știință nu există „succes peste noapte”. Mai mult, ce s-a întâmplat în realitate este exact opusul acestui scenariu. Vaccinurile împotriva Covid-19 care utilizează tehnologia ARNm au fost inspirate de descoperirea ADN-ului în 1951 și a ARNm-ului în 1961. Dar a fost nevoie de o lungă perioadă de gestație – mai mult de patru decenii – pentru a se ajunge la producerea acestor vaccinuri.
În spatele poveștii de succes a tehnologiei ARNm stau generații de oameni de știință și sute de oameni dedicați din întreaga lume, care au lucrat zeci de ani în cercetarea fundamentală și aplicată. Eforturile lor au dus la crearea unei baze de cunoștințe care a contribuit substanțial la producerea descoperirilor uimitoare legate de vaccinuri pe care le vedem astăzi în acțiune. Această bază de cunoștințe a fost construită prin muncă asiduă, cu progrese mici, presărate de-a lungul mai multor decenii. Fiecare studiu surprinzător, fiecare experiment eșuat, fiecare lucrare publicată, fiecare respingere, pe lângă lipsa de finanțare și scepticismul contemporanilor – aceștia sunt pașii mici facuți în lumea științei de pionierii ARNm pentru a avansa în munca lor. Istoria ARNm-ului sintetic este o poveste științifică frumoasă, dar nu trebuie uitat că drumul său lung spre valabilitate a fost aproape de a distruge cariere și falimenta mai multe companii.
Institutele canadiene de cercetare în domeniul sănătății au pus la punct o cronologie a deceniilor de cercetare științifică care a condus la vaccinurile împotriva Covid-19 bazate pe tehnologia ARNm. Mai jos este prezentată o versiune actualizată a acestei cronologii, care include și evenimentele ce au dus la descoperirea ADN-ului și a ARNm-ului. Creditul pentru colectarea informațiilor legate de descoperirea ADN-ului și a ARNm-ului îi revine jurnalistei de știință Christina Frangou din partea publicației online Maclean’s.
- 1951
Rosalind Franklin, o biofiziciană și cristalografă britanică, face fotografii cu raze X care surprind structura de elice dublă a ADN-ului; una dintre acestea este faimoasa fotografie 51. - 1953
James Watson și Francis Crick de la Universitatea Cambridge publică primul raport științific care descrie elicea dublă a ADN-ului, descoperire pentru care primesc Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină 1962 (împreună cu Maurice Wilkins).
Dr. Franklin moare de cancer ovarian în 1958. Contribuția ei la descoperirea elicei duble a ADN-ului este în mare parte trecută cu vederea în timpul vieții ei, dacă nu chiar furată. - 1957
În timp ce efectuau studii post-doctorale la Institutul de Tehnologie din California (Caltech), Matthew Meselson și Frank Stahl demonstrează cum se replică ADN-ul. Ei sugerează un model de replicare pe care însă nu îl vor prezenta public niciodată. Ulterior, istoricul de știință Frederic Lawrence Holmes va caracteriza rezultatul lor drept „cel mai frumos experiment din biologie”, care dezvăluie modul în care funcționează viața. Totuși, erau încă multe întrebări fără răspuns legate de modul în care este făcută viața.
Ce știau dr. Meselson și colegii săi la acea vreme era faptul că ADN-ul se află în nucleu, care este un compartiment separat de restul celulei printr-o membrană. De cealaltă parte a acestei membrane se află un lichid gelatinos numit citoplasmă, care umple restul celulei. Citoplasma adăpostește niște granule minuscule numite ribozomi, care la rândul lor adăpostesc ARN-ul. - în jurul anului 1957
Oamenii de știință francezi descoperiseră că celulele produc proteine cu ajutorul ribozomilor. Deși deține codurile critice ale vieții, macromolecula de ADN este o moleculă relativ pasivă. Ribozomii sunt cei care muncesc; ei construiesc proteinele necesare proceselor biologice care asigură supraviețuirea. Întrebarea pe care și-o pun cercetătorii este: cum fac ribozomii acest lucru?
Folosind considerente teoretice, un om de știință francez pe nume François Jacob intuiește că trebuie să existe un „intermediar instabil” care se interpune între ADN și ARN, transmite mesaje de la ADN la ARN și apoi dispare. Dr. Jacob numește acest intermediar teoretic „X”. Ceilalți cercetători „și-au dat ochii peste cap atunci când mi-am prezentat teoria”, își amintește dr. Jacob în memoriile sale, The Statue Within. „Cu puțină încurajare, publicul meu m-ar fi luat în râs și ar fi plecat”, mai scrie el. - 1960
Dr. Jacob, Sydney Brenner, un biolog sud-african de la Universitatea Cambridge, și dr. Meselson își propun să îl găsească pe „X„. În timpul verii ei se întâlnesc în laboratorul lui Meselson de la Caltech și încep să lucreze împreună la acest proiect. Meselson, care era în primul lui an de profesorat, dezvoltase o tehnică de urmărire a moleculelor mici din interiorul unei celule. Jacob credea că această tehnică poate să ajute la identificarea lui „X„.
Dr. Meselson împreună cu dr. Jacob și dr. Brenner pregătesc culturile inițiale și stabilesc ce teste să ruleze. Timp de trei săptămâni Brenner monitorizează operațiunile în timp ce Jacob ia notițe. Din nefericire au parte numai de eșecuri. Ribozomii se destrămau continuu. Colegii lui Meselson băgau periodic capul pe ușă și, cu un ton sarcastic, întrebau dacă sunt noutăți legate de „X„. Jacob va scrie despre aceștia în memoriile sale că „veneau în vizită așa cum cineva vizitează grădina zoologică”. În ultima zi de muncă în laborator, Meselson le spune celor doi parteneri de cercetare că renunță la „X” și pleacă. Zboară la Boston pentru a-i cere mâna primei sale soții. Dezamăgiți, Jacob și Brenner se duc la plajă în Malibu. Cum stăteau ei întinși pe plajă și urmăreau cum se spărgeau de nisip valurile uriașe ale Pacificului, se gândeau unde greșiseră. În memoriile sale, Jacob descrie astfel scena care urmează: „Dintr-o dată Sydney izbucnește într-un hohot de râs. Apoi sare în sus strigând: „Magneziul! Este magneziul!”. Cei doi se duc imediat în laborator și mai rulează o dată experimentul, de data aceasta cu magneziu suplimentar. Rezultatul este spectaculos. „X” există.
În aceeași zi, dr. Jacob și dr. Brenner susțin un seminar la Caltech pentru a demonstra existența lui „X„. Nimeni nu îi crede. Noaptea ei îl contactează pe dr. Meselson în Boston pentru a-i da vestea cea bună. Acesta este mai mult decât încântat. „Nu mi-am imaginat că vom afla de ce nu merge tocmai în ultima zi”, spune el. - 1961
Dr. Jacob, dr. Brenner și dr. Meselson își publică rezultatele privitoare la „X„. Ei îl redenumesc pe „X„. Noul nume este ARN mesager. - 1980s
Împreună cu echipa sa, Pieter Cullis, un profesor de biochimie și biologie moleculară de la Universitatea British Columbia (UBC) din Canada, studiază lipidele cu scopul de a înțelege mai bine cum funcționează acestea în corp. - 1987-1990
La sfârșitul anului 1987, Robert Malone, un student la studii avansate la Institutul Salk pentru Studii Biologice din California, efectuează un experiment de referință. El amestecă fire de ARNm cu picături de grăsime pentru a crea un fel de tocană moleculară. Celulele umane îmbăiate în această tocană genetică absorb ARNm-ul și încep să producă proteine pe baza acestuia. Dându-și seama că această descoperire poate avea un potențial de mare anvergură în medicină, Malone scrie câteva note, pe care le semnează și le datează. Notele lui sunt semnate pentru posteritate de încă un membru al laboratorului Salk. Iată ce scrie Malone în notele sale din 11 ianuarie 1988 : „dacă celulele ar putea crea proteine din ARNm-ul care le este livrat, este posibil să privim ARN-ul ca pe un medicament”. La sfârșitul anului 1988, experimentele lui Malone arată că embrionii de broaște pot absorbi un astfel de ARNm. Aceasta a fost prima instanță când cineva a folosit picături de grăsime pentru a facilita trecerea ARNm-ului printr-un organism viu.
Malone a fost primul autor al unui articol publicat în PNAS în 1989 care demonstrează modul în care ARN-ul poate fi livrat în celule folosind particule de lipide și coautor al unui articol publicat în Science în 1990 care arată că dacă ARN pur sau ADN pur este injectat în celulele musculare ale șoarecilor, acestea pot duce la transcrierea de noi proteine. Dacă aceeași abordare funcționează pentru celulele umane, a spus el în concluzia celei de-a doua lucrări sus-menționate, această tehnologie „poate oferi o abordare alternativă pentru dezvoltarea de vaccinuri”. - 1990s
Katalin Karikó, o cercetătoare în biochimie de la Universitatea Statului Pennsylvania din Statele Unite, studiază de un deceniu ARN-ul cu scopul de a-i valorifica potențialul în medicină. - 1995
Dr. Cullis și echipa sa își îndreaptă atenția către utilizarea nanoparticulelor lipidice (LNP) în medicină, în special pentru medicamentele de terapie genetică bazate pe acizi nucleici (precum ARN). Nanoparticulele lipidice au rolul de a forma o bulă de protecție în jurul substanțelor active dintr-un medicament, permițând acestora să fie livrate celulelor în siguranță și eficient. - 2005
Dr. Karikó și Drew Weissman, un medic imunolog care studia vaccinuri, devin parteneri de cercetare și publică mai multe articole științifice despre modalitatea de a face ARN-ul sintetic sigur pentru a fi injectat în celule. Descoperirea lor este crucială pentru dezvoltarea medicamentelor pe bază de ARN. - 2007+
În 2007, Derrick Rossi, un biolog canadian specializat în celule stem, își conducea propriul laborator la Școala de Medicină Harvard, unde era profesor asistent. Cercetarea lui era aplecată către utilizarea descoperirilor dr. Karikó și dr. Weissman și ale cercetătorului în domeniul celulelor stem Shinya Yamanaka. În 2009, în laboratorul său se folosește pentru prima oară ARNm pentru a face celulele adulte să funcționeze ca niște celule stem embrionare. Această idee nouă va duce la crearea companiei Moderna în 2010. - 2010s
Dr. Cullis și echipa sa încep să lucreze cu dr. Karikó și dr. Weissman la vaccinuri care folosesc ARNm + LNP. Acest lucru va duce la colaborări cu BioNTech și Pfizer. - 2014+
Echipa cercetătoarei Kizzmekia Corbett de la Institutul național de sănătate (NIH) din SUA începe să studieze biologia coronavirusurilor cu scopul de a dezvolta vaccinuri împotriva lor. Omenirea se confruntase deja cu două epidemii provocate de coronavirusuri: în 2003 cu epidemia de sindrom respirator acut sever (SARS) și în 2012 cu epidemia de sindrom respirator al Orientului Mijlociu (MERS). Dr. Corbett și echipa ei studiază aceste coronavirusuri, inclusiv semnătura proteinei spike și rolul pe care aceasta îl poate juca în dezvoltarea unor vaccinuri. Această experiență va duce la colaborări între NIH și Moderna. - decembrie 2019
O boală nouă este semnalată în orașul Wuhan din centrul Chinei. - 10 ianuarie 2020
Întreaga secvență genetică a noului coronavirus este publicată online, făcând-o astfel accesibilă oamenilor de știință din întreaga lume. - după ianuarie 2020
Dr. Corbett și echipa sa, care îşi concentrau eforturile asupra virusului MERS, pivotează rapid şi încep să lucreze împreună cu cercetătorii de la Moderna la un vaccin împotriva Covid-19 bazat pe tehnologia ARNm.
Dr. Karikó, dr. Weissman și dr. Cullis, care lucrau la vaccinuri împotriva virusurilor Zika și gripal, suspendă acele proiecte și se concentrează asupra virusului SARS-CoV-2 cu scopul de a dezvolta un vaccin împotriva Covid-19 bazat pe tehnologiile ARNm și LNP. - octombrie 2023
Dr. Karikó și dr. Weissman primesc Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină 2023 „pentru descoperirile lor legate de modificările bazei nucleozidice care au dus la dezvoltarea de vaccinuri eficiente împotriva Covid-19 folosind tehnologia ARNm”.
Katalin Karikó
Povestea ARN-ului mesager sintetic a început acum mai bine de patru decenii cu o cercetătoare științifică puțin cunoscută care s-a încăpățânat să nu renunțe la ideea ei. În prezent ARNm-ul sintetic este considerat o idee de multe miliarde de dolari dar, înainte de descoperirea crucială făcută de cercetătoarea puțin cunoscută și partenerul ei de cercetare, era considerat un drum înfundat în știință. Acesta este și motivul pentru care cariera cercetătoarei încăpățânate (în sensul bun al cuvântului) a stat mult timp pe o linie moartă.
Katalin Karikó s-a născut în 1955 în familia unui măcelar din micul oraș maghiar Kisujszallas. Karikó a fost fascinată de știință încă de la o vârstă fragedă. Ea a obținut un doctorat la Universitatea din Szeged, după care și-a continuat studiile ca student post-doctoral la Centrul de cercetare în biologie al aceleiași universități. În 1985, după ce programul de cercetare în biologie al universității a rămas fără finanțare, Karikó a aplicat la numeroase universități din afara Ungariei și a obținut o bursă post-doctorală la Universitatea Temple din Philadelphia. Ca urmare, ea s-a mutat în Statele Unite împreună cu soțul și fiica ei de doi ani.
În 1989 Karikó a obținut o poziție de profesor asistent (notă: nivelul de pornire într-o carieră academică ce se poate finaliza cu titularizare sau, în limba engleză, tenure) la Universitatea Statului Pennsylvania, unde a lucrat sub îndrumarea doctorului cardiolog dr. Elliot Barnathan. Karikó nu a reușit să primească nici un grant pentru a-și subvenționa cercetarea și după plecarea doctorului Barnathan, care a acceptat o poziție la o firmă de biotehnologie și a părăsit universitatea, a rămas fără laborator și sprijin financiar. Din fericire, un alt coleg, doctorul neurochirurg dr. David Langer, a crezut în ea și l-a îndemnat pe șeful departamentului de neurochirurgie să îi ofere o șansă lui Karikó și cercetării ei. Ani mai târziu, Langer își va aminti că, spre deosebire de alți oameni de știință, lui Karikó nu i-a păsat niciodată de brevete sau de cum să facă bani de pe urma descoperirilor ei. Nu mult după aceea Langer a părăsit și el universitatea.
În 1990, cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin reușiseră să facă ARN-ul sintetic să funcționeze la cobai. Karikó voia să meargă mai departe și să-l facă să funcționeze și la oameni. Ea știa foarte bine care era problema cu care se confrunta: ARN-ul sintetic era notoriu vulnerabil față de mecanismele de apărare naturală ale corpului uman, ceea ce însemna că erau șanse mari să fie distrus înainte de a-și atinge celulele țintă. În plus, dezastrul biologic produs în organism ar fi putut provoca un răspuns imun, ceea ce ar fi făcut terapia riscantă pentru unii pacienți.
Karikó a petrecut anii 1990 colectând respingeri de la coordonatorii de granturi până la publicații științifice. Ideea ei de a valorifica puterea ARNm-ului pentru combaterea bolilor era considerată prea excentrică pentru a primi subvenții guvernamentale, finanțare corporatistă sau chiar sprijin din partea propriilor colegi. Reviste științifice de vârf au refuzat să-i publice articolele. „În fiecare seară scriam: grant, grant, grant”, și-a amintit Karikó, referindu-se la eforturile ei de a obține finanțare. „Și răspunsul totdeauna venea: nu, nu, nu”.
În 1995, după șase ani de carieră la Universitatea Statului Pennsylvania, Karikó a fost retrogradată. În viață nu există niciodată un moment oportun pentru retrogradare, dar pentru Karikó aceasta nu putea veni într-un moment mai dificil, într-un an care fusese deja neobișnuit de greu pentru ea. După ce trăsese o sperietură cu cancerul, soțul ei rămasese blocat în Ungaria din cauza unei probleme de viză. Ea avusese o poziție care ducea la titularizare, dar fără granturi care să-i susțină cercetarea legată de ARNm, șefii ei nu au văzut nici un motiv să le pese și să o păstreze. Astfel Karikó a fost forțată să se întoarcă pe o treaptă inferioară a ierarhiei academice.
Karikó simțea că munca ei, căreia îi dedicase nenumărate ore, îi aluneca printre degete. „De obicei, în acel moment, oamenii își iau rămas bun și pleacă deoarece este atât de oribil”, a spus Karikó într-un interviu. „M-am gândit să merg în altă parte sau să fac altceva. M-am mai gândit că poate nu sunt suficient de bună sau suficient de inteligentă”, a mai spus ea. După multă disperare și îndoieli de sine, au început să îi vină în minte altfel de gânduri. „Am început să îmi spun că totul este în fața mea și eu trebuie doar să fac experimente mai bune”, a mai spus Karikó. În ciuda tuturor acestor dificultăți ea nu s-a dat bătută. „Văzută din afară, lupta mea părea o nebunie, dar eu eram fericită în laborator”, a spus Karikó pentru Business Insider. Și asta i-a dat putere sa persiste.
Până în 1997 Karikó petrecuse numeroase ore în fața aparatului Xerox fotocopiind reviste științifice pentru a le lua acasă să le citească. În fața unui asemenea fotocopiator s-a petrecut întâlnirea decisivă care i-a relansat cariera. Este vorba de întâlnirea dintre Karikó si Drew Weissman, un imunolog care lucra la un vaccin anti-HIV. Cei doi cercetători au început să colaboreze și să scrie aplicații pentru granturi. „Nu am obținut majoritatea granturilor la care am aplicat. Nimeni nu părea interesat de ARNm. Oamenii din comitetele care aprobau granturile ne spuneau că ARNm nu va fi o terapie bună, așa că să nu ne mai pierdem vremea”, a spus dr. Weissman.
Punctul nevralgic al cercetării lui Karikó, așa cum subliniau numeroasele respingeri ale aplicațiilor ei de granturi, era faptul că injectarea cu ARNm sintetic conduce, de obicei, la un răspuns imunitar supărător: corpul detectează un intrus chimic și pornește la război. Fiecare catenă de ARNm este alcătuită din patru tipuri de blocuri moleculare numite nucleozide[1]. În ARNm-ul modificat sintetic, unul din aceste blocuri semnalizează sistemul imunitar și dă totul peste cap, la fel cum o roată nealiniată afectează o mașină în ansamblu. Cei doi cercetători au descoperit repede de ce: ARNm-ul sintetic trezește o serie de senzori imuni cunoscuți sub numele de receptori toll-like, care acționează ca prima linie de apărare în fața pericolelor prezentate de agenții patogeni.
„Soluția găsită a fost echivalentul biologic al schimbării unui cauciuc de mașină”, au scris jurnaliștii Damian Garde și Jonathan Saltzman pentru website-ul de știință Stat. În 2005, dr. Karikó și dr. Weissman au raportat că rearanjarea legăturilor chimice pe una dintre nucleozidele de ARNm, uridina, duce la crearea unui compus înrudit numit pseudouridină, care pare să împiedice organismul de a identifica ARNm-ul ca inamic. Astfel, înlocuind o anumită nucleozidă cu o versiune a ei ușor modificată, Karikó și Weissman au creat un ARNm hibrid care se putea strecura în celule fără a alerta mecanismele de apărare ale organismului. După un deceniu de încercări și erori, Karikó și Weissman descoperiseră un remediu pentru călcâiul lui Ahile al ARNm-ului, care permitea ARN-ului sintetic să ocolească sistemul imunitar al organismului. „Aceasta a fost descoperirea cheie”, a spus dr. Norbert Pardi, profesor asistent de medicină la Universitatea Statului Pennsylvania și unul dintre colaboratorii lor apropiați. „Karikó și Weissman și-au dat seama că, dacă încorporează nucleozide modificate în ARNm, pot ucide două păsări cu o singură piatră”.
Această descoperire crucială a fost prezentată într-o serie de articole științifice publicate începând cu 2005. La început descoperirea a zburat în mare măsură sub radar, a spus dr. Weissman. În schimb ea i-a izbăvit pe cercetătorii ARNm care își păstraseră credința în ideea lor pe durata anilor în care această tehnologie a fost ignorată. Și a fost, totodată, pistolul care a dat startul pentru sprint-ul vaccinurilor din anii care au urmat.
Descoperirea făcută de dr. Karikó și dr. Weissman a atras totuși atenția unor oameni de știință importanți: dr. Derrick Rossi, biolog canadian specializat în celule stem, și dr. Uğur Şahin și dr. Özlem Türeci, o echipă căsătorită de cercetători de origine turcă stabiliți în Germania, interesați de mai multă vreme de imunoterapie. Rossi va fi unul din membrii fondatori ai companiei Moderna, în timp ce Şahin și Türeci vor fonda BioNTech. Nu numai că Rossi a recunoscut descoperirea lui Karikó și Weissman ca fiind inovatoare, dar în prezent el crede că ei merită Premiul Nobel pentru chimie. „Dacă într-o zi cineva mă întreabă pentru cine votez, i-aș pune în față și în centru”, a spus el. „Această descoperire fundamentală va fi incorporată în medicamente care vor ajuta omenirea”, a adăugat el.
În noiembrie 2020, după ce studiile clinice de fază III ale vaccinului împotriva Covid-19 dezvoltat de BioNTech–Pfizer au arătat că acesta este sigur și 95% eficient, Karikó a declarat pentru The Daily Telegraph că prima ei reacție a fost un sentiment de „eliberare”. În ciuda acestui triumf obținut după o luptă de o viață, Karikó a spus că așteaptă ca lumea să se vaccineze în masă pentru a eradica virusul. „Abia atunci voi sărbători cu adevărat”, a spus ea pentru CNN.
Figura 1: Dr. Katalin Karikó și dr. Drew Weissman au inventat tehnologia ARNm folosită de vaccinurile împotriva Covid-19 produse de BioNTech și Moderna.