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10.1: Mirando hacia atrás - Biología

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Los límites de la bioquímica se han expandido enormemente desde sus inicios. La demostración de Wöhler, en 1828, de que la urea podía sintetizarse fuera de una célula viva, demostró que no había ninguna "fuerza vital" que distinguiera la química de la vida de la del mundo no viviente. La química es química, pero el término "bioquímica "fue acuñado en 1903 por Carl Neuberg para describir el subconjunto especial de reacciones químicas que ocurren en las células vivas. Esta especialidad no se deriva de ninguna excepción a las leyes de la física y la química, sino de la forma en que se organizan y regulan las reacciones químicas en las células, y también de la complejidad y tamaño de las moléculas biológicas.

Frente a una complejidad mucho mayor que en el mundo inorgánico, la estrategia tradicional de los bioquímicos ha sido "divide y vencerás". En este enfoque, las enzimas individuales y otras moléculas biológicas se purifican de las células para que sus propiedades se puedan estudiar de forma aislada. La lógica de este método, a veces descrito como reduccionista, es que podemos aprender sobre el todo mediante el estudio de sus partes individuales. Este enfoque minucioso, utilizado durante la mayor parte del siglo XX, descubrió reacciones químicas e interacciones moleculares que ocurren dentro de las células, una por uno, revelando gradualmente a los científicos mucho de lo que sabemos hoy en bioquímica.

A medida que se resolvió un número creciente de reacciones bioquímicas, los bioquímicos comenzaron a ver que estaban conectadas entre sí en cadenas de reacciones a las que ahora nos referimos como vías metabólicas. Estas vías metabólicas resultaron ser notablemente similares entre las células de todos los reinos de la vida. Aunque hay algunas vías que son exclusivas de ciertos organismos, muchas más son iguales o muy similares en organismos tan diferentes como las bacterias y los humanos.

También quedó claro que las vías metabólicas interactuaban entre sí a través de intermediarios comunes o mediante la regulación de una vía por moléculas creadas por otras vías. Se demostró que la similitud de las reacciones químicas en todas las células vivas se extiende a la moneda de energía común, el ATP, que utilizan las células para impulsar sus reacciones químicas, así como al mecanismo por el cual las células producen el ATP.

Las vías metabólicas rastrean la transformación de moléculas en una célula y representan el trabajo de las enzimas, que son proteínas. El descubrimiento de la estructura del ADN permitió comprender cómo se utilizaba la información de los genes para dirigir la síntesis de estas proteínas. Las interacciones proteína-ADN que determinan qué genes se copian en el ARN en un momento dado se descubrieron y ayudaron a explicar cómo las células con el mismo ADN llegaron a expresar diferentes proteínas. El código genético, así como los mecanismos de transcripción, traducción y regulación de la expresión génica también resultaron ser notablemente similares en células de todo tipo, lo que llevó al premio Nobel Jacob Monod a bromear diciendo que lo que era cierto para E. coli también lo era para Elefante.

El enfoque de "un componente a la vez" también ayudó a los bioquímicos a comprender cómo las células perciben los cambios en su entorno y responden a ellos. La capacidad de detectar las condiciones fuera del entorno de las células se extiende a todos los grupos de organismos. Incluso el organismo unicelular más simple puede siguen gradientes de nutrientes para acercarse a los alimentos. Las células de los organismos multicelulares pueden detectar señales químicas en la sangre (nutrientes, hormonas) o impulsos de las células nerviosas y alterar sus acciones. Estas señales pueden desencadenar cambios en el metabolismo, decisiones de dividirse, morir, o volverse senescentes, o el desempeño de funciones especializadas (p. ej., contracción muscular o secreción de enzimas) Por lo tanto, las células están constantemente en un estado de .ux, ajustando sus actividades en respuesta a señales externas a ellas mismas, así como a sus propias necesidades cambiantes.

El poder del enfoque analítico de "desmontar las cosas" es evidente por el asombroso ritmo de los descubrimientos en bioquímica y biología molecular. La primera demostración de que una enzima era una proteína se hizo solo en 1926, y no fue hasta veinte años después que esto estaba lo suficientemente bien establecido como para que el Premio Nobel fuera otorgado por este descubrimiento en 1946. Desde entonces, los métodos de la bioquímica han descubierto toda la información que se puede encontrar en cualquier libro de texto de bioquímica estándar, y más.

Se han identificado miles de enzimas y sus sustratos, y se han rastreado cientos de vías metabólicas. Tras el esclarecimiento de la estructura del ADN en 1953, los científicos han descubierto una cantidad vertiginosa de hechos sobre cómo se almacena, utiliza y hereda la información en las células. Los animales clonados y transgénicos y la terapia génica fueron una realidad en menos de 50 años. Y los descubrimientos siguen llegando.


Mirando hacia atrás 3.8 mil millones de años en la raíz del 'árbol de la vida'

El ribosoma creció por acreción de nuevo ARN en ARN antiguo en un proceso que recuerda a las muñecas rusas anidadas. La parte más antigua del ribosoma contiene pequeños fragmentos de ARN y está representada por la muñeca más pequeña. Las adiciones cada vez más recientes al ribosoma aumentaron su funcionalidad y están representadas en muñecos de tamaño creciente. La muñeca más grande representa el ARN ribosómico que comparten todas las formas de vida actuales. Crédito: Cortesía de Williams Lab

Investigadores financiados por la NASA en el Instituto de Tecnología de Georgia están aprovechando la información que se encuentra en las células de toda la vida en la Tierra y la utilizan para rastrear la evolución de la vida. Han aprendido que la vida es un maestro taquígrafo: escribe, reescribe y registra su historia en elaboradas estructuras biológicas.

Algunas de las claves para descubrir el origen de la vida se encuentran encriptadas en el ribosoma, el conjunto de moléculas más antiguo y universal de la vida. El ribosoma actual convierte la información genética (ARN) en proteínas que llevan a cabo diversas funciones en un organismo. Pero el ribosoma en sí ha cambiado con el tiempo. Su historia muestra cómo moléculas simples unieron fuerzas para inventar la biología, y su estructura actual registra antiguos procesos biológicos que ocurrieron en la raíz del Árbol de la Vida, hace unos 3.800 millones de años.

Al examinar las variaciones en el ARN ribosómico contenido en las células modernas, los científicos pueden visualizar la línea de tiempo de la vida muy atrás en la historia, dilucidando estructuras moleculares, reacciones y eventos cercanos a los orígenes bioquímicos de la vida.

"La biología es un gran guardián de registros", dijo Loren Williams, profesora de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech e investigadora principal del Centro de Tecnología de Georgia para la Adaptación y Evolución de Ribosomas del Instituto de Astrobiología de la NASA de 2009 a 2014. "Estamos averiguando cómo leer algunos de los registros más antiguos de la biología para comprender los procesos prebiológicos, el origen de la vida y la evolución de la vida en la Tierra".

Está previsto que el estudio se publique el 30 de noviembre en la edición temprana de la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Como anillos en el tronco de un árbol, el ribosoma contiene componentes que funcionaron al principio de su historia. El centro del tronco registra la juventud del árbol, y los anillos sucesivos representan cada año de la vida del árbol, y la capa más externa registra el presente. Así como el núcleo del tronco de un árbol permanece sin cambios con el tiempo, todos los ribosomas modernos contienen un núcleo común que se remonta a 3.800 millones de años. Este núcleo común es el mismo en todos los organismos vivos, incluidos los humanos.

"El ribosoma registró su historia", dijo Williams. "Se acumuló y se hizo más y más grande con el tiempo. Pero las partes más viejas se congelaron continuamente después de que se acumularon, al igual que los anillos de un árbol. Mientras ese árbol viva, los anillos internos no cambiarán. El núcleo mismo del ribosoma es más antiguo que la biología, producido por procesos evolutivos que todavía no entendemos muy bien ".

Si bien la explotación de esta capacidad de mantenimiento de registros del ribosoma revela cómo la biología ha cambiado con el tiempo, también puede señalar las condiciones ambientales en la Tierra en las que evolucionó esa biología y ayudar a informar nuestra búsqueda de vida en otras partes del Universo.

"Este trabajo nos permite mirar hacia atrás en el tiempo, más allá de la raíz del árbol de la vida, el antepasado de todas las células modernas, hasta una época en la que las proteínas y los ácidos nucleicos aún no se habían convertido en la base de toda la bioquímica", dijo Carl Pilcher, interino. director del Instituto de Astrobiología de la NASA. "Nos ayuda a comprender algunas de las primeras etapas del desarrollo de la vida en la Tierra y puede orientar nuestra búsqueda de entornos extraterrestres donde la vida pueda haberse desarrollado".

Al rebobinar, realizar ingeniería inversa y reproducir esta antigua cinta ribosomal, los investigadores están descubriendo los secretos de la creación y respondiendo preguntas existenciales fundamentales sobre nuestro lugar en el Universo.

Al estudiar más adiciones al ribosoma, el equipo de investigación, con contribuciones clave del científico de investigación de Georgia Tech, Anton Petrov, encontró "huellas digitales moleculares" que muestran dónde se hicieron las inserciones, lo que les permitió discernir las reglas por las que creció. Utilizando una técnica que denominan Método Comparativo Estructural, los investigadores pudieron modelar el desarrollo del ribosoma con gran detalle.

"Al tomar ribosomas de varias especies (humanos, levaduras, diversas bacterias y arqueas) y observar las partes externas que son variables, vimos que había reglas muy específicas que gobiernan cómo cambian", dijo Williams. "Tomamos esas reglas y las aplicamos al núcleo común, lo que nos permitió ver hasta las primeras piezas de ARN".

Loren Williams (izquierda), profesor de Georgia Tech, y el científico investigador Anton Petrov, frente a un gran árbol que simboliza el crecimiento y la acumulación del ribosoma a lo largo del tiempo. Crédito: Crédito: Rob Felt, Georgia Tech

Algunas pistas en el camino ayudaron. Por ejemplo, aunque el ARN ahora es responsable de crear proteínas, la vida más temprana no tenía proteínas. Al buscar regiones del ribosoma que no contienen proteínas, los investigadores pudieron determinar que esos elementos existían antes de la llegada de las proteínas. "Una vez que el ribosoma ganó cierta capacidad, eso cambió su naturaleza", dijo Williams.

Si bien el núcleo ribosómico es el mismo en todas las especies, lo que se agrega en la parte superior es diferente. Los seres humanos tienen el ribosoma más grande, que abarca unos 7.000 nucleótidos, lo que representa un crecimiento espectacular desde el centenar de pares de bases al principio.

"De lo que estamos hablando es de pasar de oligómeros cortos, fragmentos cortos de ARN, a la biología que vemos hoy", dijo Williams. "El aumento de tamaño y complejidad es asombroso".

Los investigadores obtuvieron sus ribosomas a partir de bases de datos de estructura y secuencia que se han producido para ayudar a los científicos a identificar nuevas especies. Los ribosomas se pueden cristalizar, lo que revela sus estructuras tridimensionales.

Más allá de comprender cómo se desarrolló la evolución a lo largo del tiempo, este conocimiento del desarrollo del ribosoma podría tener aplicaciones de salud más prácticas en la actualidad.

"El ribosoma es uno de los principales objetivos de los antibióticos, por lo que comprender su arquitectura y de forma coherente a lo largo de la biología podría ser de gran beneficio", dijo Williams. "Al estudiar el ribosoma, podemos comenzar a pensar en la biología de una manera diferente. Podemos ver la relación simbiótica entre el ARN y las proteínas".

Como siguiente paso, Williams y sus colegas ahora están utilizando experimentos para verificar lo que muestra su modelo.

"Tenemos un modelo coherente y consistente que da cuenta de todos los datos que tenemos que se remontan a una forma de biología que es muy primitiva en comparación con lo que tenemos ahora", explicó Williams. "Planeamos seguir probando las predicciones del modelo".


Perspectivas de las ciencias de la vida en Estados Unidos y el mundo 2020

Terapias genéticas, descubrimiento y desarrollo de fármacos inteligentes, dispositivos portátiles para el consumidor, telemedicina y más: ¿cuáles son algunos de los impulsores que están transformando el sector de las ciencias de la vida? ¿Cómo pueden las organizaciones biofarmacéuticas y de tecnología médica crear un nuevo valor en 2020, al mismo tiempo que abordan varios desafíos? ¿Cuáles son las métricas que importan?

Explorar contenido

Una perspectiva estadounidense sobre las tendencias de las ciencias de la vida

En 2020, esperamos ver que la interoperabilidad avance de manera significativa. Los datos de salud personalizados combinados con inteligencia artificial (IA) podrían cambiar fundamentalmente no solo la experiencia del paciente, sino también la experiencia humana. Y si bien el impulso hacia la interoperabilidad podría mejorar la eficiencia en los próximos años, impulsar el valor y el significado para los pacientes y los consumidores podría allanar el camino a seguir para las empresas de ciencias de la vida. Nuestra perspectiva mundial de las ciencias de la vida para 2020 analiza en profundidad por qué las empresas de ciencias de la vida deberían considerar la posibilidad de crear una experiencia integral para el paciente.

Nos acercamos a la promesa de una verdadera medicina de precisión y un futuro de la salud en el que aprendemos de cada punto de datos radicalmente interoperable en el contexto de cada paciente. Cuando miramos hacia atrás 20 años a partir de ahora, 2020 puede muy bien verse como el año en que las empresas de ciencias de la vida finalmente dejaron atrás sus modelos del siglo XX y entraron en una nueva era. La interoperabilidad radical y la evolución de la experiencia del paciente son solo dos de las tendencias que vemos para 2020, aquí hay tres más:

  • Las organizaciones ajenas al cuidado de la salud seguirán ingresando a este espacio.
  • Los ensayos clínicos podrían volverse más inclusivos
  • La ciencia del comportamiento podría desempeñar un papel más importante

Lea el blog completo para obtener más información sobre las próximas tendencias de salud del líder de ciencias biológicas de EE. UU. De Deloitte, Mike DeLone.


Mirando hacia atrás y hacia adelante (una retrospectiva de las enfermedades de los cereales en East Anglia en los últimos 21 años).

Abstracto

Actas de la Asociación de Biología Aplicada de RONSDORF, (1935). Weitere Untersuchungen iiber den L. Sachweis biologischzr Rassen des Gerstenzaergrostes, Putinin simplex Erikss. und Henn. Phytopath. 2. 7, A. (1932). B e i

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Exosomas: mirando hacia atrás tres décadas y hacia el futuro

Clifford V. Harding, John E. Heuser, Philip D. Stahl Exosomas: Mirando hacia atrás tres décadas y hacia el futuro. J Cell Biol 18 de febrero de 2013 200 (4): 367–371. doi: https://doi.org/10.1083/jcb.201212113

Los exosomas son vesículas de membrana extracelular cuya biogénesis por exocitosis de endosomas multivesiculares se descubrió en 1983. Desde su descubrimiento hace 30 años, ha quedado claro que los exosomas contribuyen a muchos aspectos de la fisiología y la enfermedad, incluida la comunicación intercelular. Discutimos los experimentos iniciales que llevaron al descubrimiento de exosomas y destacamos algunas de las emocionantes direcciones actuales en el campo.

Hace 30 años, un artículo en JCB (Harding, Heuser y Stahl, 1983) y uno en Celda (Pan y Johnstone, 1983) —publicados con una semana de diferencia entre sí— informaron que, en los reticulocitos, los receptores de transferrina asociados con vesículas pequeñas de ∼50 nM son literalmente descartados de los reticulocitos sanguíneos en maduración al espacio extracelular. El nombre "exosoma" para estas vesículas extracelulares fue acuñado unos años más tarde por Rose Johnstone, aunque el término había sido utilizado unos años antes, para referirse a otros fragmentos de membrana aislados de fluidos biológicos (Trams et al., 1981 el El término "complejo de exosoma" también se ha utilizado para una entidad totalmente diferente: a saber, la partícula intracelular implicada en la edición de ARN [Mitchell et al., 1997]). La promesa de estos primeros descubrimientos ha sido reconocida durante las tres décadas intermedias por un crecimiento casi explosivo en el campo de la biología de exosomas, lo que resultó en la formación de varias sociedades (International Society for Extracellular Vesicles y The American Society for Exosomes and Microvesicles) e incluso una revista dedicadaDiario de vesículas extracelulares), además de numerosas reuniones internacionales y más de mil publicaciones sobre exosomas, hasta la fecha. En este comentario, describimos cómo descubrimos esta nueva vía celular y brindamos nuestra perspectiva sobre los principales avances y direcciones futuras de este campo. Para un análisis más detallado del estado del campo y sus desafíos futuros, consulte Raposo y Stoorvogel (en este número).

Nuestras investigaciones se iniciaron cuando uno de nosotros (CV Harding), entonces estudiante de doctorado / MD, se embarcó en un estudio de endocitosis para su tesis doctoral y aprovechó la experiencia de dos laboratorios adyacentes en el Departamento de Biología Celular y Fisiología de la Universidad de Washington en San Louis. El trabajo en el laboratorio de Stahl se centró entonces en definir las vías de la endocitosis y el reciclaje mediados por receptores (Stahl et al., 1980), así como en determinar el papel general de los compartimentos intracelulares ácidos en la facilitación de la entrega de ligandos a los lisosomas (Tietze et al., 1980). Mientras tanto, el laboratorio de Heuser había desarrollado recientemente la técnica de grabado profundo para microscopía electrónica (Heuser y Salpeter, 1979) y ya había hecho grandes avances en la visualización del reciclaje de membranas sinápticas (Heuser et al., 1979) y la arquitectura general de los endosomas (Heuser , 1980). CV. Harding decidió centrar su trabajo de tesis en el receptor de transferrina y utilizar el reticulocito o glóbulo rojo en maduración como sistema modelo porque se sabía que los reticulocitos estaban repletos de receptores de transferrina. El primer artículo que surgió de esta colaboración de tres vías describió el reciclaje del receptor de transferrina entre la membrana plasmática y los compartimentos endocíticos del reticulocito y delineó el papel de estos compartimentos ácidos en la absorción de hierro por los reticulocitos (Harding y Stahl, 1983). Más o menos al mismo tiempo, varios otros grupos publicaron trabajos adicionales sobre la ruta de reciclado del receptor de transferrina (Ciechanover et al., 1983 Dautry-Varsat et al., 1983 Klausner et al., 1983). En retrospectiva, todos esos estudios (así como los consejos de Alan Schwartz y Aaron Ciechanover) nos ayudaron a comenzar a comprender los mecanismos del reciclaje de transferrina en los reticulocitos.

Un hecho bien establecido en ese momento era que los reticulocitos pierden la maquinaria necesaria para la producción de hemoglobina a medida que maduran en eritrocitos, esto incluye la pérdida de la maquinaria necesaria para el transporte de hierro a través de los receptores de transferrina (van Bockxmeer y Morgan, 1979). La mayoría de la gente suponía que esto se debía simplemente a la regulación a la baja de la endocitosis y la degradación lisosomal de los receptores de transferrina. Sin embargo, nuestro pensamiento sobre esto fue reorientado repentinamente por dos experimentos que hicimos para visualizar el recambio del receptor de transferrina monitoreándolo con transferrina conjugada con oro coloidal (AuTf). Descubrimos que las partículas de AuTf fueron internalizadas por los receptores de transferrina de reticulocitos con alta fidelidad. Sin embargo, rara vez observamos alguna de nuestras partículas de oro dentro de los compartimentos internos de nuestros reticulocitos de rata que podrían considerarse lisosomas, en base a su tinción para fosfatasa ácida o aril sulfatasa, de hecho, encontramos que, en general, los reticulocitos tienen muy pocos de estos. tipos de lisosomas (Harding et al., 1983). Para nuestra sorpresa, las partículas de AuTf internalizadas se ubicaron principalmente y predominantemente en las muchas vesículas pequeñas que observamos dentro de los cuerpos multivesiculares y, por lo tanto, decidimos llamar a estos orgánulos endosomas multivesiculares (MVEs Harding et al., 1983). Nos sorprendió aún más cuando observamos MVE que albergaban vesículas marcadas con AuTf que parecían haberse fusionado con la membrana plasmática, a juzgar por la clara continuidad de sus dos membranas (Fig.1, izquierda), y por la exteriorización obvia de su AuTf. vesículas marcadas (ahora conocidas como exosomas Fig. 1, derecha). Para excluir la posibilidad de que estos resultados fueran causados ​​por artefactos de fijación, realizamos microscopía electrónica en muestras que fueron congeladas rápidamente sin fijación previa (Fig. 1, derecha) y observamos el mismo fenómeno. Estas observaciones revelaron un mecanismo novedoso para la pérdida de receptores de transferrina durante la maduración de los reticulocitos.

Esta aparente exocitosis de MVE fue un hallazgo novedoso e interesante por muchas razones. Por un lado, contrarrestó la opinión predominante en ese momento de que el reciclaje a la membrana plasmática se producía exclusivamente desde los primeros compartimentos endocíticos, pero no desde los compartimentos endocíticos posteriores, como las MVE. Si es cierto, la exocitosis de MVE podría proporcionar una explicación mecanicista para el reciclaje de moléculas internalizadas que entran mucho más profundamente en el sistema endocítico. La existencia de muchas de estas moléculas se documentó posteriormente: por ejemplo, el tráfico de LAMP-1 lisosomal a la membrana plasmática (Lippincott-Schwartz y Fambrough, 1987) y el tráfico de antígenos procesados ​​desde endosomas / lisosomas tardíos a la membrana plasmática durante la clase. Procesamiento de antígenos del complejo principal de histocompatibilidad II (MHC-II) (Harding et al., 1991). Aún más fundamentalmente, nuestros primeros destellos de exocitosis de MVE plantearon la posibilidad de que las células pudieran usar este mecanismo como una forma general de liberar vesículas de membrana, con un significado mucho más allá del sistema del receptor de transferrina, una idea que desde entonces se ha desarrollado ampliamente en el campo de los exosomas.

Nuestras primeras imágenes de este evento de externalización de MVE aparecieron en Harding et al. (1983): se muestra un ejemplo en la Fig. 1. Al mismo tiempo, Pan y Johnstone (1983) descubrieron que los reticulocitos de las ovejas liberaban vesículas de tamaño bastante uniforme que contenían el receptor de transferrina, aunque no visualizaban directamente la producción de estos. vesículas y favoreció un mecanismo de desprendimiento de vesículas que se produce en la membrana plasmática (que produce vesículas que posteriormente se han denominado "ectosomas" o "microvesículas"). Los dos artículos simultáneos se complementaron muy bien entre sí, al igual que los artículos posteriores de ambos grupos que proporcionaron datos para establecer aún más el modelo de exosoma, por ejemplo, mediante la purificación bioquímica de exosomas y más estudios de microscopía electrónica que confirmaron el papel de la exocitosis de MVE en la génesis de exosomas. (Harding y col., 1984 Pan y col., 1985). Juntos, estos hallazgos desarrollaron un modelo convincente para una vía de desprendimiento de vesículas y receptores, aunque tomó algún tiempo apreciar su importancia general para extenderse más allá del modelo de receptor de reticulocitos / transferrina.

Nos dimos cuenta de que la vía MVE-exosoma de la eliminación del receptor de transferrina era claramente distinta de la vía de reciclaje del receptor de transferrina a la membrana plasmática después de la liberación de hierro por la transferrina. Al cuantificar la localización de las partículas de AuTf intracelulares y determinar la cinética del reciclaje del receptor de transferrina, generamos un modelo que incluía dos vías para el tráfico del receptor de transferrina internalizado en los reticulocitos: una vía de reciclaje rápido y una vía de desprendimiento más lenta. Es decir, después de la endocitosis de los receptores de transferrina en los primeros túbulos endocíticos y vesículas, la mayoría se recicla rápidamente a la superficie celular, según se detecta por su rápida reaparición y susceptibilidad a la tripsinización de la superficie. Sin embargo, la segunda vía más lenta apuntaba a los receptores de transferrina a los MVE, y la velocidad de desprendimiento del receptor de transferrina por esta vía coincidía con la velocidad de pérdida del receptor de transferrina de los reticulocitos en desarrollo (Harding et al., 1984). Este hallazgo implicó a la vía de liberación de exosomas como la vía principal para la pérdida del receptor de transferrina de los reticulocitos, una conclusión que encaja con los hallazgos del grupo de Johnstone. Además, en los años siguientes, se ha hecho evidente que otras moléculas se clasifican en vesículas en MVE para su liberación a través de la vía del exosoma. El modelo que apareció en el original JCB El artículo, que se detalla con más detalle en un artículo el año siguiente (Fig. 2 Harding et al., 1984), parece haber resistido la prueba del tiempo.

Mientras tanto, se ha logrado un progreso significativo en el desarrollo de una comprensión de la biología celular de la biogénesis de exosomas. Existe acuerdo en que los MVE tienen dos destinos en todas las células: fusionarse con el compartimento lisosómico donde se degradan las membranas y otros contenidos o fusionarse con la membrana plasmática, lo que da como resultado la liberación a través de la vía de secreción del exosoma. La formación de MVE ahora se comprende bastante bien, se han identificado componentes necesarios de la vía del complejo endosómico requerido para el transporte (ESCRT) (Henne et al., 2011), y se han publicado recientemente estudios provocativos sobre el mecanismo de gemación de vesículas hacia adentro (Hanson et al., 2011). al., 2008 Hurley y Hanson, 2010 Henne et al., 2012). Otros estudios han señalado a la ceramida y otros lípidos como mediadores de la biogénesis del exosoma (Trajkovic et al., 2008). Aguas abajo de la formación de MVB, ciertas Rab GTPasas parecen dirigir el tráfico a la membrana plasmática seguido de acoplamiento y fusión, lo que abre un abanico de posibilidades para la regulación selectiva. Se sabe que las GTPasas de Rab regulan el tráfico de membrana, y el trabajo inicial (Vidal y Stahl, 1993) demostró que los exosomas aislados están enriquecidos en Rab4 y Rab5. Además, Savina et al. (2002) implicó a Rab11 en la secreción de exosomas y, más recientemente, Rab27 y Rab35 se han identificado como GTPasas reguladoras (Hsu et al., 2010 Ostrowski et al., 2010). Trabajos recientes han demostrado que elementos de la vía ESCRT, ALIX y VPS4, juegan un papel en la secreción de exosomas, especialmente aquellos involucrados en el tráfico de sindecanos (Baietti et al., 2012). Por último, se han estudiado los mecanismos que desencadenan la secreción de exosomas y se ha demostrado que los transitorios de calcio desencadenan la secreción de exosomas, lo que sugiere un proceso estrictamente regulado (Savina et al., 2005).

Los exosomas se han vuelto relevantes para muchos campos, limitaremos esta discusión y nos centraremos en algunos temas notables en inmunología y comunicación intercelular. En 1996, más de una década después del descubrimiento de exosomas en reticulocitos, Raposo et al. (1996) demostraron que los MVE enriquecidos con MHC-II (denominados "MIIC") en los linfocitos B fusionados con la membrana plasmática para liberar exosomas que llevan MHC-II, y estos exosomas eran capaces de presentar complejos péptido-MHC-II para activar las células T respuestas. Poco después, se demostró que las células dendríticas producen exosomas (Zitvogel et al., 1998 Théry et al., 2001) con la capacidad de estimular las respuestas de las células T (Théry et al., 2002). Los macrófagos también generan exosomas y los macrófagos infectados con Tuberculosis micobacteriana (Mtb) generan exosomas que pueden presentar Mtb complejos de péptido antígeno-MHC-II a linfocitos T (Ramachandra et al., 2010), aunque estos exosomas, como los de algunos otros sistemas, pueden ser más efectivos en la presentación de antígenos cuando se unen a la membrana plasmática de las células que los presentan a T células (Denzer et al., 2000 Théry et al., 2002 Vincent-Schneider et al., 2002). La capacidad de los exosomas para estimular directamente las células T vírgenes puede estar restringida a los exosomas de las células dendríticas provistas de un estímulo de maduración (Segura et al., 2005). La capacidad de los exosomas para estimular las respuestas de las células T generó interés en el potencial de los exosomas en la inmunización, particularmente en el campo de la inmunología tumoral, pero la aplicación práctica de los exosomas para la inmunización o la inmunidad tumoral sigue siendo difícil de alcanzar.

Además de su capacidad para afectar la inmunidad adaptativa al portar complejos péptido-MHC o antígeno que pueden ser procesados ​​por células presentadoras de antígeno para su presentación a células T, los exosomas también pueden contener moléculas que estimulan respuestas inmunes innatas. Macrófagos que están infectados con Mtb o micobacterias relacionadas producen exosomas que contienen moléculas microbianas que pueden enviar señales a través de receptores inmunes innatos que regulan las células presentadoras de antígenos y otras células del sistema inmunológico (datos no publicados Wearsch, PA y J. Athman, comunicación personal Bhatnagar y Schorey, 2007 Bhatnagar et al. ., 2007). Además, la infección con Mtb (Ramachandra et al., 2010) o la activación del inflamasoma (Qu et al., 2007, 2009) mejora la producción de exosomas así como de microvesículas derivadas de la membrana plasmática. Aunque la mayoría de los estudios han utilizado células de mamíferos como fuente de exosomas, las células de no mamíferos, incluidos los parásitos patógenos como Leishmania, puede secretar exosomas, y los exosomas derivados de patógenos pueden regular la defensa del huésped y las respuestas inmunes (Silverman et al., 2010). Por lo tanto, los exosomas pueden transmitir moléculas distintivas de infección con patógenos, particularmente patógenos intracelulares, permitiendo que una célula infectada influya o reclute muchas otras células, expandiendo así las respuestas del huésped. Por otro lado, esta ruta también puede permitir la diseminación de moléculas utilizadas por patógenos para subvertir las respuestas inmunes y promover la persistencia de la infección.

Actualmente existe una explosión de interés en las funciones de los exosomas en la comunicación intercelular. Un aspecto importante de esto es la posibilidad de que el ARN asociado al exosoma pueda administrarse a las células receptoras, lo que influye en su expresión de ARN, proteoma y funciones. Estas funciones podrían ser críticas en la comunicación intercelular para regular las respuestas inmunes o muchos otros tipos de respuestas fisiopatológicas. Se generó mucho entusiasmo con el descubrimiento de ARNm y microARN en exosomas aislados de mastocitos humanos y de ratón (Valadi et al., 2007) y el hallazgo de que el ARN exosómico se administraba a las células diana, donde era biológicamente activo. Este descubrimiento abrió un nuevo campo de investigación. El escepticismo inicial de que la presencia de ARN en los exosomas puede ser incidental ahora ha sido descartado por demostraciones que muestran especificidad en la carga de ARN exosómico. Los exosomas de las células tumorales pueden contener ARN que afecta a otras células para promover la progresión del tumor (Skog et al., 2008). Los exosomas que contienen ARN también pueden regular las células del sistema inmunológico, incluidas las interacciones entre las células presentadoras de antígenos y las células T (Mittelbrunn et al., 2011). Trabajos recientes han demostrado que la capacidad de producir exosomas in vitro podría explotarse para producir un "exosoma recombinante" que incorpore moléculas de reconocimiento o direccionales para el direccionamiento específico de tejido (Alvarez-Erviti et al., 2011). Esta área representa un área nueva e interesante con mucha actividad investigadora.

¿Qué traerá el futuro en el campo de la investigación de exosomas? Además de su importancia para los mecanismos fundamentales de comunicación, señalización y regulación intercelular, los exosomas y otras vesículas extracelulares pueden tener importantes aplicaciones clínicas en el futuro (Raposo y Stoorvogel, 2013). There is much interest in the potential for diagnostics based on analysis of exosomes, as they may bear the protein or RNA signatures of pathological or physiological states of their source cells. Because exosomes may traffic from tissue sites to blood, urine, or other body fluids that are easily accessible, they may make such signatures available for diagnostic utilization. Furthermore, the potential for RNA-bearing exosomes to influence or regulate recipient cells suggests the possibility of therapeutic applications for cancer, amelioration of pathological immune responses (e.g., autoimmunity), and other applications. May the next 30 years bring yet more advances!


10 Great Jobs for People With Biology Degrees—Because You Don’t Have to Be a Biologist

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If you have a biology degree—or you’re about to get one—you may feel like there are only a few jobs that you’re suited for, and almost all of them require further schooling. But as a biology major, you’re qualified for a number of jobs both inside and outside of a lab or a hospital—even if you don’t want to attend professional or graduate school.

When you think of yourself strictly as a biologist, you might be unnecessarily limiting what careers you can have, says Josh Henkin, PhD, founder of STEM Career Services. Apart from scientific knowledge and background, “students in the biological sciences have unique skills that make them great employees in any work setting,” says Kasey Johnson, Employer Engagement Coordinator for Career Services at the University of Minnesota College of Biological Sciences.

In addition to the traditional lecture classes most majors require, biology majors must take a number of laboratory-based classes. They have experience researching and forming plans, following protocols, troubleshooting problems, working with groups, and analyzing the results of their work in order to successfully perform experiments. This translates into a number of transferable skills, or skills that are valuable across a number of workplaces and employment scenarios, including:

  • Resolución de problemas
  • Pensamiento crítico
  • Adaptabilidad
  • Investigar
  • Developing, testing, and iterating on a hypothesis
  • Literature review
  • Data collection and analysis
  • Laboratory research and safety techniques
  • Understanding and communicating complex scientific and medical topics

What jobs are biology majors qualified for with these skills? Here are 10—and many don’t require any graduate school to land an entry-level role.

Research associates—also called lab technicians, research assistants, and clinical technicians, among many other titles—conduct tests and experiments in a laboratory setting, often as assistants to research scientists. They can work in academic labs at universities and in medical labs in hospitals, clinics, or other testing facilities. Or they might work for research and pharmaceutical companies biological, chemical, and food manufacturers or any other organization that has a laboratory.

Biology majors are well suited for these jobs because of the laboratory experience required by your coursework and the knowledge of research techniques and data analysis skills you gained as a result. You’ll also use your problem solving abilities and communication skills to navigate work within a lab since you’re typically working as part of a team and often trying to find new solutions or troubleshoot problems.

Research associates might choose to go back to school and get a PhD or master’s degree so that they can conduct their own research or hold a higher position within a lab, or they might become a lab manager who coordinates the work, maintains supplies and equipment, and sets procedures within a research laboratory.

Quality control inspectors and analysts monitor the manufacturing of products and make sure that procedures and safety regulations are being followed. Biology majors are especially qualified to do this work at companies producing drugs, vaccines, or any other product where the manufacturing process involves chemicals or requires an aseptic environment. Quality control professionals might also be in charge of monitoring and maintaining the equipment needed for the manufacturing or testing processes.

As a bio major, you’re well versed in basic laboratory procedures and “understand the importance of reviewing the regulations which govern the industry,” says DeNea R. Conner, founder of Advice Tank and a former biology major who has worked in operations, quality control, and management for several leading pharmaceutical corporations and who has hired biology majors for a number of positions. While some quality control jobs only require a high school diploma, those that deal with biology or chemistry usually call for a biology, chemistry, or similar degree.

In addition to monitoring the production of biological and chemical products such as medications, vaccines, and food components, biology majors are also especially suited to manufacturing them. Biological and chemical items—especially those that go into the human body—often need to be produced in a laboratory and/or a sterile setting, a type of process biology majors are familiar with from their lab classes. Putting together these products—or a chemical component of one—typically involves following laboratory protocols and using a number of experimental techniques biology majors likely learned to do in school.

A biology major can also prepare you to work in the assembly of other products, including cars, tech gadgets, or almost any item you can think of. Right now, manufacturing jobs are some of the hardest jobs for companies to fill, Henkin says. The field is becoming more and more technical, and many assembly workers don’t have the required training, but biology majors do. There are also a number of other jobs in the pharmaceutical and biologic manufacturing industry that you’re suited for as a bio major, such as supply chain management and logistics.

Medical and science writers write about healthcare and other scientific topics in advertisements, training manuals, informational pamphlets, articles, and more. They could be writing for a number of audiences, such as doctors and pharmacists, marketers and advertisers, salespeople, manufacturers, or the general public.

For example, as a medical writer, you might write instructions for a piece of laboratory equipment for those who will be using it or a description of the effects of a new drug for a pamphlet for patients. You might work for a pharmaceutical company, a healthcare provider, or a nonprofit organization looking to educate people about a health or science topic. Or you might report and write about health and science for a newspaper, magazine, or another publication (online or in print).

Science and medical writers need to understand complex concepts and communicate them clearly to their intended audience, making this a great job for a bio major with some writing chops.

Science and health policy analysts research, analyze, and evaluate outcomes of possible or existing laws or government programs related to health, medicine, the environment, or any other scientific issue, such as a new environmental regulation or a proposed Medicaid expansion. As a policy analyst, you can work for a nonprofit a science society or other membership-driven organization the federal, state, or local government or any organization involved in lobbying. If you’re interested in federal policy, most jobs are in Washington, DC and the surrounding areas.

You may be able to find an entry-level policy position with just a bachelor’s degree in biology (and the federal government and many state and city governments have special programs and fellowships to allow you to do just that), but to move up in your career you might need further schooling.

Marketing coordinators create or assist in the creation of marketing campaigns. They also conduct market research and analyze results of different marketing initiatives.

Biology majors have the research and analysis skills needed for these positions, but they also have the background knowledge needed to work in marketing specifically in the science, health, and biotechnology spaces. You can work for a marketing agency or for a company that does its own marketing such as a nonprofit, pharmaceutical company, biotech company, telehealth organization, or a health tech startup.

As a biology major, you already “speak their language,” Henkin says. And if you have strong communication skills, you’ll be able to break down complex science topics in a way that makes the company’s products marketable and easy to understand.

Approximate average salary for public health program managers: $67,000 (based on salary info for this similar role, according to a public health careers expert)

Public health program managers design, implement, coordinate, oversee, and evaluate health programs that may seek to increase public awareness of a health topic, provide access to social and community services, or strengthen the overall health of the public. You might work for a government agency, hospital, university, nonprofit, or other NGO (non-governmental organization) to implement programs locally, or if you’d like to help people around the world, you can work for an international health or international development organization.

Program managers need to have good analytical, interpersonal, and organizational skills as well as background knowledge in the subject their programs cover, making this a good fit for biology majors. You might be able to find entry-level program management positions with just a bachelor’s degree in biology, but many entry- or higher-level jobs will require a master’s degree in public health, biology, or similar.

Pharmaceutical and medical device sales representatives go into doctors’ offices, hospitals, and other healthcare facilities to sell their products to medical professionals.

Biology majors are especially suited to these sales professions because “they understand the science behind the product being sold,” Conner says, which helps them make a stronger case for what they’re selling—for example, a new medication or a type of MRI machine—and ensures that the information they’re sharing with medical professionals is accurate.

If you’re a biology major who wants a job where you get to interact with a lot of people, this is a great choice. Plus, pharmaceutical and medical device sales are two of the highest-paying sales jobs, partially due to the potential to earn commissions and bonuses.

Research scientists review past and current research, formulate and test hypotheses, conduct tests and experiments, and analyze and present their findings. Research scientists are responsible for everything from developing new medications and vaccines to combating climate change to tracking and preserving endangered species to creating new technologies. Most research scientists—including biologists, chemists, and pharmacologists—work in a laboratory setting, but for some specialities, such as wildlife biology, ecology, or atmospheric chemistry, large amounts of research happen “in the field.”

Biology majors are especially suited for these careers by design—their classes provide the background knowledge and their lab work teaches them the techniques and procedures they’ll use and build on throughout their careers. However, to become a research scientist, biology majors need to obtain a master’s degree (approximately two years) and a PhD (approximately four to six years) or just a PhD in their chosen area of specialization—for example, neurobiology, instrumental chemistry, biochemistry, or computational biology. To work for a university, post-doctorate programs are usually required and can last from one to five years. Research scientists can also work for private research companies (known as “in industry) for the government or for museums, zoos, and other educational facilities.

Average salary for doctors in general practice: $154,220 (general practice is just one example salaries are highly variable based on specialty)

It should come as no surprise that medicine is a top career choice for biology majors. Doctors diagnose and treat patients, perform tests and medical procedures, and stay on top of the latest research in their fields. Depending on their specialties, doctors might also perform surgery, administer anesthesiology and other drugs, or read and interpret scans and test results, among many other responsibilities. Doctors often work long hours, and the job can be extremely stressful.

A biology major provides the background knowledge and most or all of the prerequisite courses needed to take the MCAT and attend medical school. After four years of medical school, doctors must also complete a residency in their desired specialty, which can last from three to seven years, and some choose to do an additional fellowship after residency to further specialize. If you’d like to do clinical research as a medical doctor, you may have to also obtain a PhD or attend a specific MD/PhD program.

If none of the jobs on this list speak to you as a biology major, keep in mind that this is just a small sampling and by no means everything you’re qualified for. “We see biology majors graduating and going on to great careers in many different fields,” Johnson says. In addition to these jobs, students also go on to work in “scientific education (at an environmental learning center or science museum), park services, healthcare, forestry, biotechnology, genetic counseling, and more.” You might also choose to attend a professional school to become a physical or occupational therapist, a dentist, or a pharmacist. But really, whatever interests you, Johnson says, you’ll be able to learn the new skills you need on the job or through training because bio majors are adaptable, critical thinkers.

Regina Borsellino is a NYC-based editor at The Muse covering job search and career advice, particularly resume best practices, interviewing, remote work, and personal and professional development. Before joining The Muse, Regina was an editor for InvestorPlace, where she also wrote about topics such as investing and biotech companies. She holds a BA in English language and literature from the University of Maryland and an MFA in creative writing from American University. Find her on LinkedIn and Twitter.


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6 “Smart” libraries and applications of enzyme engineering

While the BASF process uses a wild-type enzyme, stabilized through immobilization, a strong interest in enzyme engineering has developed in industry. One major barrier to directed evolution is screening. In Frances Arnold's original paper, 94a the enzyme was secreted from colonies of bacteria and digestion of the substrate in plates could be easily observed by a decrease in turbidity, thus allowing the screening of a large number of variants relatively easily. However, in general screening is not straightforward and usually it is the bottleneck. This is tackled on two fronts: development of faster high-throughput screens, as well as reduction of the size of libraries by increasing the proportion of hits. While the former is often highly specific to the (class of) enzymes being evolved, more general concepts exist for the latter. 109 For example, the structure of the enzyme may be used to assess which recombinations are more likely not to disrupt the overall fold of the enzyme, in a process called SCHEMA, 110 which can then be used to reduce the size of combinatorial libraries.

Advances in the understanding of protein structures as well as dynamics have increasingly allowed target residues to be identified with more reliability than was previously possible, reducing the need for random mutagenesis across the whole gene although it remains a valuable tool. 111 This is accomplished using increasingly sophisticated bioinformatic tools, to allow for the docking of substrates into active sites, molecular dynamic simulations, and protein structure modeling, which can aid to predict the likely effect of potential mutations. One very powerful tool that has emerged is Rosetta, which also has been applied for the complete de-novo design of proteins. 112 The availability of increasing numbers of structures of diverse enzymes within a given family, and the even larger availability of sequences (due to next generation high-throughput sequencing technologies) allow points of natural variation to be identified which may then be targeted. The flexibility of residues as determined by X-ray crystallography may also help identify target regions. 113 Alternatively, random mutagenesis might be used to identify hotspots which are then further investigated by more targeted mutagenesis. 114 In addition, the amino acids found in nature for a given position can inform which substitutions to include in a given library. 115

Several residues may be targeted together, to increase the chance of detecting synergistic effects of mutations. One such approach is combinatorial active site testing (CASTing), developed by Manfred Reetz, 116 whereby multiple residues lining the active site are saturated at the same time, allowing for synergistic effects between mutations to emerge. This has been particularly successful in changing enantioselectivities and substrate scopes of enzymes. 107, 117 Amine dehydrogenases (AmDH) were created from amino acid dehydrogenases in this way. 118 Several sites of interest (each potentially consisting of multiple residues) may be targeted sequentially, in a process call Iterative Saturation Mutagenesis (ISM), also developed by Reetz. 119

Statistical tools and machine learning are also a powerful way to increase the efficiency of directed evolution, 120 such as the use of protein sequence activity relationships (ProSAR). 121 In an initial library, mutations are classified as beneficial, neutral, or detrimental and can inform which mutations to incorporate into subsequent libraries, as opposed to taking the best overall variant and generating a new library. This strategy was successfully applied by Codexis in the engineering of a halohydrin dehalogenase (HHDH) for the synthesis of (R)-4-cyano-3-hydroxybutyrate, a key intermediate for the synthesis of atorvastatin, a cholesterol-lowering drug. 122 Overall, the volumetric productivity was improved 4000-fold over 18 rounds of evolution and 35 mutations were introduced, meeting the process requirements for the enzyme. The authors note that half of the mutations introduced in the final variant were initially not present in the best variant when selected and would have been missed in a hit-based approach. While this approach can reduce screening efforts, it requires a larger sequencing effort. However, this has become increasingly possible as the cost of DNA sequencing has steadily declined. 81

Codexis and Merck combined several of these approaches to engineer a transaminase for the synthesis of sitagliptin. Starting from an enzyme with no activity toward the substrate and minimal activity toward a truncated analogue, 11 rounds of engineering (Figure 14) led to a catalyst that outcompeted the alternative rhodium-catalyzed reductive amination process in terms of efficiency, yield, enantioselectivity, and waste formation. Overall, 27 mutations were introduced using a combination of site-saturation mutagenesis, combinatorial libraries (including diversity from homologous sequences), proSAR, and epPCR, screening a total of 36480 variants. 123 Highlighting that, even with the use of tools to maximize the efficiency of evolution, a huge screening effort may still be required for significant catalyst improvements.

Evolution of ATA-117 to produce sitagliptin, 123 compared to the chemocatalytic route using a rhodium catalyst. Over 11 rounds of evolution, the conditions of the screening (substrate loading, temperature, cosolvent concentration (Rd 3–6 MeOH, otherwise DMSO) were gradually increased to the process level. Overlaid is the steady increase in conversion under process conditions, as well as the increase in the total number of mutations (note, several mutations changed throughout the process).

In another more recent example, GSK evolved an imine reductase (IRED) to meet the process requirements for the synthesis of the LSD1 inhibitor GSK2879552, currently in clinical trials. 124 Screening of their in-house panel (of at least 85 IREDS) 125 revealed a suitable candidate for mutagenesis. Given the scarcity of structural data on IREDs and that their highly dynamic mechanism is not fully understood, an initial round of site-saturation mutagenesis was carried out on 256 out of 296 positions. Beneficial mutations from that round were then used to generate combinatorial libraries, which were then analyzed using the proprietary CodeEvolver software from Codexis. Statistical analysis was performed to identify pairwise interactions of beneficial mutations which were then included in another combinatorial library in a final third round of evolution, yielding an enzyme with 13 mutations that met or exceeded the process requirements, resulting in improved sustainability metrics over the previous route (Figure 15). The enzyme was then used to synthesize 1.4 kg of GSK2879552 for use in additional rounds of clinical trials.

Engineering of an IRED for the synthesis of GSK2879552, and the alternative chemical route. Insert: improvement of the catalyst over 3 rounds of evolution acceptable operating space (black dotted line), wild type IR-46 (grey), M1 (orange), M2 (green), M3 at small scale (blue) and process scale (red). Adapted from Schober et al. 124

Increasingly, directed evolution has also been applied to create enzymes carrying out reactions not observed in nature, by exploiting the promiscuous nature of enzymes (Figure 16). Frances Arnold's group reported on the evolution of a cytochrome c (cyt c), 126 a protein without any catalytic role in nature, to form carbon-silicon bonds, a reaction not observed in nature. After screening several P450 enzymes, myoglobins, and cyt c variants, they identified a cyt c from Rhodothermus marinus with low levels of catalytic activity for this reaction. Iterative site-saturation mutagenesis of just three key residues – an iron coordinating methionine, and two additional residues close to the heme group – resulted in a catalyst with a total turnover number (TTN) of >1500, a>33-fold improvement over the wild-type (wt) and a >375-fold improvement over free heme, outperforming the best chemical catalysts for this reaction. In addition, the turnover frequency (TOF) was increased 7-fold, the reaction proceeded with nearly perfect enantioselectivity, and was chemoselective for carbene insertion into silanes over alcohols and amines (Figure 16).

Top: Exploiting enzyme promiscuity to evolve new catalytic activity. Enzymes often exhibit promiscuous activity toward non-native substrates or reactions. By applying directed evolution, a “specialist” enzyme might be transformed into another specialist enzyme for the new activity, at the cost of diminishing its original function. Such a transformation proceeds through a “low-fitness valley” where the enzyme is not very good at either the new or the original function. Figure reproduced from ref. 93 Bottom: This concept was applied to evolve a cytochrome c from Rhodothermus marinus (without any native catalytic function) to catalyze Si−H carbene insertions. 126 The final variant was 33x more active than the parent and became more specialized for Si−H insertion over N−H insertion chemistry, both promiscuous activities of the wt.

Clearly, in addition to the generation of efficient libraries, the choice of template was key in both examples above. Indeed, modern genomics has created huge databases of genes and it has become incredibly easy to identify new sequences that likely have a given catalytic function. The dramatic reduction in cost of synthetic genes has made it possible to create panels of these sequences, in a way producing a “smart” library of sequences already pre-selected by natural evolution. The likely function of a DNA sequence may be determined from sequence similarity to other proteins of known function (using search algorithms such as BLAST), 127 as well as the identification of motifs. 128 In addition, structure based searches of crystal structures of unknown function may yield new biocatalyst. 129


Looking Back at the Early Times of Redox Biology

A peer-reviewed article of this Preprint also exists.

Flohé, L. Looking Back at the Early Stages of Redox Biology. Antioxidantes 2020, 9, 1254. Flohé, L. Looking Back at the Early Stages of Redox Biology. Antioxidants 2020, 9, 1254. Copy

Journal reference: Antioxidants 2020, 9, 1254
DOI: 10.3390/antiox9121254

Citar como:

Flohé, L. Looking Back at the Early Stages of Redox Biology. Antioxidantes 2020, 9, 1254. Flohé, L. Looking Back at the Early Stages of Redox Biology. Antioxidants 2020, 9, 1254. Copy


Read on for 8 more majors for med school that don’t include the obvious biology route.

1. Business

People say money makes the world go round, and where there’s money, there’s business. While not a science-related major, business plays a major role in the way hospitals and clinics function. Numerous specialties or tracks that fall under the business umbrella include marketing, sales, management and even finance. Business offers a more economic and financial perspective on medicine. So if topics like hospital management, workers’ financial rights or the price of pharmaceuticals interest you, a business degree will help you understand how those concepts impact modern medicine. It also teaches students about teamwork and project management—strong foundations of any successful business. “We learned a lot about communication, marketing, managing a project and being part of a team. And now that I’m starting to see how things work in a hospital, it’s basically all team-based project management,” UCLA third-year medical student Ethan Osias said. “So, I think that that knowledge and experience I got from being a business major was definitely beneficial and will continue to be beneficial for me as I continue throughout my medical education,” Osias said. A business degree can offer more insight into a side of a doctor’s job you probably never considered.

2. Physiology

Students with biology degrees have probably chosen specialties or tracks to narrow their studies down, and physiology proves as one of those tracks that looks at the mechanisms in living systems. It takes a closer look at how organ systems, cells and biomolecules function. “They cover the entire body, every organ system a few weeks at a time and would cover the entire body by the end of their bachelor’s degree,” Ohio State University fifth year MD/Ph.D. student Farbod Fazlollahi said. Physiology focuses more on organisms’ systems, unlike biology which encompasses everything from plant life and entire biomes to molecules and cells. Learning about living systems will act as extremely helpful knowledge to enter medical school with because the information mirrors that of the med school curriculum. Considering that you can casually talk about the four chambers of the heart for hours on end, you’ll have an edge on other students because of your deeper understanding of the way the body works.

3. Spanish

As a physician, you’ll treat numerous people per day, each one just as unique as the one before. Doctors see lots of diversity in their hospitals or clinics, and a Spanish major would increase your ability to treat more people. After all, Spanish makes up the second most spoken language in the U.S. Polyglots in any profession have an advantage because it allows them to help more people. “When you think about the medical treatment population, particularly in disadvantaged areas, there’s an overwhelming majority of language need for Spanish in those places,” Georgetown University Assistant Dean Michael Parker said. Other helpful languages include Chinese, French and German, so if Spanish doesn’t necessarily hit a sweet spot for you, maybe these other in-demand languages will. As a Spanish major, you could have the opportunity to complete a language immersive study abroad program. This also allows you to examine different systems of study, healthcare and cultures. Surprising a patient with the fact that you can speak their language will form much stronger connections in such a people-based career.

4. Neuroscience

Considering the fact that the brain controls our thoughts, memories, speech, movement and organ functions, future doctors would to do well to study it as much as possible. Neuroscience students study all things involving the nervous system and in terms of the human body, this means it focuses mostly on the brain and spinal cord. People consider neuroscience as one of the hardest majors because it involves many challenging math and science classes in all different areas. For example, you might load your schedule with Molecular and Cellular Biology, Calculus I and II y Organic Chemistry. Whereas if you choose to study biology, chemistry or physics, you’ll probably have to take the basics of all the hard sciences but really not much more than that. Neuroscience encompasses all those subjects and more. But don’t worry — because a challenging major like neuroscience may just better equip you for med school more than you think.

The field of neuroscience also rapidly changes and progresses, so students get exposed to cutting edge research very early in their studies. You’ll likely have an easier time studying neuro in med school than other students because you’ll understand the concepts easier as you reference the familiar major in undergrad. “When we got to the neuro part of med school, people had been warning me all year long, like ‘neuro is going to be killer,’ ‘it’s the hardest part of med school,’ ‘there’s so much to learn,’ ‘it’s going to be so intense.’ And it wasn’t. The other neuro students in my class agreed, like we had an easier time with anatomy,” UCLA neuroscience alumni Fazlollahi said. The challenge in your undergraduate years as a neuroscience major will serve you well in med school, not to mention all the cool courses you take to deeper understand the workings of the brain.

5. Political Science

It may not seem like the political science and medicine fields overlap much, but the two actually have lots in common and connect frequently. A political science major analyzes systems of government, political activities and political ideologies. Politics plays a major role in medicine and healthcare. With different proposed bills in Congress and presidential candidates promoting their idea of the best nationwide healthcare system, or lack of one, medicine gets governed by certain laws just like any field. A political science degree will give you more knowledge and understanding of healthcare topics like health equity, racism and health, mental health, immigrant health and vaccines. The role of politics in these various topics affect how physicians treat their patients. A greater understanding of that role will allow doctors to recognize the inequalities in the U.S. healthcare system and truly strive for change as they work.

6. Criminology

If you’ve ever watched crime shows like CSI, Huesos, NCIS y Mentes criminales, you know the important part science plays in finding evidence, creating a case and getting a conviction. Criminology majors study crime and deviant behavior. Surprisingly, their research draws from all walks of science-based studies like sociology, psychology, anthropology, biology and even chemistry. “In criminology, you learn a lot more about systematic violence and how that incorporates into healthcare. And that gives you more of an insight as a future physician to kind of help change that,” University of Maryland fourth year and co-president of UMD’s American Medical Student Association Sahana Chakravartti said. Med students with a criminology background better understand how society deals with victims of crime and criminals themselves. Issues that criminology majors might find interesting include medical treatment of sexual assault victims, the prison healthcare system and trauma. A criminology background may seem like a pretty specific area of interest, but it provides a unique perspective on certain aspects of the U.S. healthcare system that’ll only make you more interesting as a prospective med student.

7. Philosophy

Philosophy may seem like a far cry from a hard science major, but many of the early philosophers proposed ideas that relate to math, physics, chemistry, biology and psychology. In your introduction classes to many of these subjects, you’ll learn about Sir Isaac Newton’s Principios matemáticos de la filosofía natural and Aristotle’s systematic scientific inquiry. Philosophy majors will have a greater understanding of the ethical philosophy theories that doctors use to make decisions about treatment. In medical school interviews, you can expect to answer at least a few ethical questions like, “What are your thoughts on abortion?” or “What are your thoughts on physician-assisted suicide?” A philosophy background can help you answer those mind-boggling questions as well as provide you with knowledge in real-life situations.

8. Public Health

This major has “health” right in its name, but it focuses more on the big picture — looking at society as a whole instead of one individual. Public health strongly relates to medicine in that it has the goal of preventing diseases and prolonging life. Public health majors promote healthy behaviors like hand washing, vaccinations and condom distribution. Renowned departments and organizations like the Centers for Disease Control and Prevention and the World Health Organization also focus primarily on public health. A medical student with a public health degree would understand the practices and measures people and organizations take to prevent the spread of disease. As a doctor, you might already have the goal to improve people’s quality of life, but a public health degree will teach you exactly how to make those ideals a reality for society as a whole.

Is Biology Really the Best Major for Med Students?

On your way to med school, keep in mind the number of options that not only will benefit you but also interest you. Biology may seem like the obvious choice, but medicine as a field encompasses much more than bio, as does any field encompass more than the obvious or direct. Med schools will look for applicants who can think logically but also creatively, who can recite all 206 bones in the human body and who can eloquently simplify a complicated medical diagnosis for a patient.

Don’t think that you’ll have to give up one passion for another. Med school programs also increasingly hope to allow students to incorporate other disciplines into the medical field, so having a well-rounded education pays off when it comes to med school applications. “We have a lot of physician innovators that are now coming in. It’s become something that is incredibly popular,” UC San Diego first-year med student and MCAT tutor Dhruv Puri said. Many schools have programs that allow students to study beyond the medical perspective, also exploring the socioeconomic and cultural perspectives.

Sometimes, students tend to choose a major they think will make them most successful, instead of using college as a chance to explore their passions and discover what they love. “I think that an undergraduate education is one of the best, and perhaps one of the last times in a student’s life that they’ll have the ability to study in an interdisciplinary way. And so I would caution students that feel they have to be one track minded about their degree,” Parker said. "Much can be accomplished through an interdisciplinary perspective to education and majoring in something nontraditional certainly does not exclude someone from being eligible to apply for medical school.” When choosing a major, remember that your end goal does not have one set route. College fosters curiosity, so take advantage of your experience and make college your oyster.

**Updated on December 27, 2017 to include “How to Choose the Perfect Pre-Med Major for You” and “5 Resume Boosters Pre-Med Majors Need to Get that MD” by Mariya Khan

***Updated July 7, 2020 to include “1o Good Majors for Med School That Aren’t Biology” and “Is Biology Really the Best Major for Med Students?” by Devon Milley


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