Dogma, virus en vaccin

(english follows dutch)

 

Om een vaccin te maken moeten moleculen verdubbeld, overgeschreven en vertaald worden. Daarom deze korte inleiding:

In alle biologische cellen is erfelijke informatie vastgelegd in de volgorde van de bouwstenen van het DNA-molecuul. Specifieke informatie kan daarvan worden overgeschreven in de vorm van RNA en vervolgens worden vertaald in eiwitten. Deze “informatie stroom” noemt men “Het centrale dogma van de moleculaire biologie” (1958): de genetische informatie “stroomt” van DNA naar RNA naar eiwit in 3 processen. Deze processen kunnen niet zomaar worden omgekeerd.

 

 

 

DNA en RNA zijn nucleïnezuren. De gekleurde streepjes staan voor de bouwstenen (basen; nucleotiden). In hun volgorde op de dubbele helix van het DNA (rood), ligt de genetische informatie opgeslagen, als de letters in een boek. De volgorde wordt overgeschreven naar mRNA (zwart) en vervolgens vertaald door ribosomen in een sequentie van aminozuren, de bouwstenen van eiwit (blauw).

 

Drie processen: replicatie, transcriptie, translatie

Het mooie van DNA is dat het een stabiel molecuul is dat zichzelf kan verdubbelen in een zogenaamd replicatie-proces. Het bestaat uit 2 strengen (rood) die een dubbele helix vormen met een dikte van 2 nm (nanometer; een duizendste micrometer). De gekleurde streepjes zijn de bouwstenen (basen); hun volgorde bepaalt de genetische code, net zoals de achtereenvolgende letters de tekst in een boek bepalen.

Door een enzym (polymerase) kan de code worden overgeschreven naar het “boodschapper-RNA” of mRNA (van “messenger”-RNA; zwarte lijn), in het zogenaamde transcriptie-proces.

Vervolgens wordt het mRNA vertaald of omgezet in eiwit (blauw) in het translatie-proces, dat uitgevoerd wordt door “eiwit-fabriekjes” of ribosomen. 

 

 

Een dierlijke cel bevat een kern met de DNA-bevattende chromosomen (rood).

De celdiameter is hier 10 µm (micrometer of een duizendste millimeter). De kern is omgeven door een kern-membraan (wit). Bacteriën hebben geen membraan om hun DNA. Beide cellen bevatten cytoplasma met ribosomen (blauw). Het virus bevat geen cytoplasma. Het is omgeven door een membraan. Het verlaat de cel via uitstulpingen van de plasmamembraan van de cel.

  

Waar worden de processen uitgevoerd?

Het DNA zit in de celkern in de vorm van chromosomen (rood gekleurd), omgeven door membranen (wit gekleurd). In de kern vinden zowel de replicatie of verdubbeling van de chromosomen, als de transcriptie naar mRNA plaats.

Het grootste gedeelte van de cel bestaat uit het cytoplasma (blauw gekleurd), omgeven door een plasma-membraan bestaande uit twee lagen van vetmoleculen en eiwitten (dubbele zwarte lijn). Het mRNA van de cel beweegt uit de kern naar het cytoplasma. Daar bevinden zich de ribosomen die de volgorde van de basen van het mRNA vertalen in een volgorde van aminozuren. Aminozuren zijn bouwstenen die door een ribosoom in het translatie-proces met elkaar worden verbonden tot een eiwit. 

 

In de kleinere bacteriecel (~2 µm, micrometer) ligt het DNA (rood) “vrij” in het cytoplasma (blauw) met de ribosomen. Een bacterie kan net als een cel met kern groeien en delen.

 

In het Corona-virus dat véél kleiner is (0.1 µm of 100 nanometer) zit RNA (en geen DNA, zoals bij vele andere virussen). Het RNA zit ingepakt in een membraan van vetmoleculen en eiwitten. Er is géén cytoplasma! Een virus kan niet groeien of delen. Maar het kan met behulp van eiwitten aan de buitenkant (“spike-eiwit”) een cel binnendringen en zich vervolgens in het cytoplasma van die cel vermenigvuldigen. 

 

 

 

https://www.news-medical.net/health/What-are-Coronaviruses.aspx

Ingekleurde scanning-electronenmicroscopische opname van Corona-virussen (geel gekleurd) die door de geinfecteerde cel (blauw) worden uitgestulpt en afgesnoerd (NIAID Integrated Research Facility in Fort Detrick, Maryland).

 

Het virus

Het genetische materiaal van het Coronavirus bestaat uit een lang RNA-molecuul (30,000 basen). Dit virusRNA bevat als mRNA de genetische informatie voor 10 genen, die de informatie bevatten voor het maken van 26 verschillende eiwitten. Een belangrijk eiwit is het S- of spike-eiwit, waarmee het onze lichaamscellen kan binnendringen (infecteren). Men noemt het spike-eiwit daarom wel de sleutel waarmee het virus zich toegang kan verschaffen tot onze cellen. Die toegang wordt gevormd door de zgn. Ace2-receptor, een eiwit dat op de buitenkant van veel van onze lichaamscellen zit. Vooral in onze neus en longen zitten veel van die "Ace2-toegangspoortjes".

 

3D-model van het Corona-virus, diameter ~100 nm. Aan de buitenkant zitten de spike-eiwit (roze), waarmee het eerste contact gemaakt wordt tussen het virus en het toeganspoortje (Ace2-eiwit) op onze lichaamscellen.

https://www.biovendor.com/sars-cov-2-2019-ncov-proteins?utm_source=google&utm_medium=organic

 

In de geinfecteerde cel wordt het virusRNA gerepliceerd en wordt de informatie vertaald in eiwitten. Waarom deze replicatie-, transcriptie- en translatie-processen van het virus de normale processen in de cel overtroeven is een vraag die eerder door fysici dan door biologen zal worden beantwoord. Uiteindelijk wordt het virusRNA ingekapseld waarna de virusdeeltjes de cel verlaten via uitstulpingen van de plasma-membraan die zich afsnoeren. De geinfecteerde cel gaat hierbij niet kapot en kan in 10 uur wel 1000 nieuwe virussen produceren.

 

Het vaccin

Het mRNA-vaccin bevat een kort stukje virusRNA dat de informatie bevat voor een  gedeelte van het spike-eiwit. Dit mRNA-stukje wordt verpakt in een klein druppeltje van vetmoleculen (diameter 80 nm). Als dit druppeltje door vaccinatie in een lichaamscel komt, wordt door de ribosomen het stukje van het spike-eiwit gemaakt. Dit vormt het zogenaamde SARS-CoV-2 antigen.

Deze antigenen verlaten de cel weer en stimuleren een immuunrespons in het lichaam waardoor antilichamen worden gemaakt tegen het spike eiwit. Corona-virussen, die door infectie het lichaam binnenkomen, worden door de antilichamen geïnactiveerd zodat ze de cel niet kunnen binnendringen en zich niet kunnen vermenigvuldigen. Het is alsof de cel een foto (het antigen) maakt van de toekomstige vijand (het virus), waarmee het immuunsysteem zich kan voorbereiden op een eventuele aanval (infectie).

 

Links: een druppeltje vetmoleculen plus RNA uit een publicatie van Fang et al. (2012). 

Rechts: electronenmicroscopische opname van de druppeltjes.

Zie:  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/la303012x)

 

De antigenen en de antilichamen zijn onschadelijk en kunnen geen ziekte veroorzaken. Het vaccin bevat geen levende, veranderde of dode virussen, alleen een stukje mRNA. Ook kan het vaccin het DNA dat zich in de chromosomen van onze cellen bevindt, niet veranderen, omdat de “informatie-stroom” van DNA-naar-RNA-naar eiwit, niet zomaar omkeerbaar is.  

 

 

19 december 2020 – Met dank aan Lidie, Frits Bienfait, Norbert Vischer. Jan Groenendaal en Boudewijn. Gebruikte gegevens zijn o.a. uit de “Sceptical raptor”, een blog over stalken met pseudowetenschap in de internet jungle:

 https://www.skepticalraptor.com/skepticalraptorblog.php/

 

------------------------------------------------------------------------------------------------

Dogma, virus and vaccine

 

In order to make a vaccine, molecules need to be doubled, transcribed and translated. That is why a brief introduction is given:

In all biological cells, hereditary information is stored in the order of the bases of the DNA. Specific information can be transcribed into mRNA and then converted into proteins. This "information flow" is called “the central dogma of molecular biology" (1958): the genetic information "flows" from DNA to RNA to protein. This process cannot easily be reversed!

 

 

 

DNA and RNA are nucleic acids. The colored dashes represent the building blocks (bases; nucleotides). In their sequence on the DNA double helix (red), the genetic information is stored. The sequence is transcribed into mRNA (black) and subsequently translated by ribosomes into a sequence of amino acids, the building blocks of protein (blue).

 

Three processes: replication, transcription, translation

The beauty of DNA is that it is a stable molecule that can replicate itself in the so-called replication process. It consists of 2 strands (red) that form a double helix with a thickness of 2 nm (nanometer; one thousandth of a micrometer). The colored dashes are the building block (bases); their sequence determines the genetic code, just like the consecutive letters determine the text in a book.

An enzyme (polymerase) can transfer the code to the "messenger-RNA" or mRNA (black) in the so-called transcription process.

Subsequently, the mRNA is converted or translated into protein (blue) in the translation process, which is performed by small "protein factories" or ribosomes.

 

An animal cell contains a nucleus with the DNA-containing chromosomes (red).

The nucleus is surrounded by a nuclear membrane (white). Bacteria do not have a membrane around their DNA. Both cell types contain cytoplasm with ribosomes (blue). The virus does not contain cytoplasm. It is surrounded by a membrane. It leaves the cell through bulges of the cell's plasma membrane.

 

Where are the processes being executed?

The DNA is in the cell nucleus in the form of chromosomes (red color), surrounded by membranes (white color). In the nucleus both replication of the chromosomes and transcription to mRNA take place.

The largest part of the cell consists of the cytoplasm (blue color), surrounded by a plasma membrane consisting of two layers of lipids and proteins (double black line). The mRNA of the cell moves from the nucleus to the cytoplasm. There are the ribosomes that translate the order of the bases of the mRNA into a sequence of amino acids. Amino acids are building blocks that are connected to each other by a ribosome in the translation process to form a protein.

 

In the smaller bacterial cell (~2 µm; micrometer) the DNA (red) is "free" in the cytoplasm (blue) with the ribosomes. A bacterium can grow and divide just like a cell.

 

In the Corona virus that is much smaller (0.1 µm), there is RNA (not DNA as in many other virusses). The RNA is wrapped in a lipid-protein membrane. There is no cytoplasm! A virus cannot grow or divide. But it can enter a cell with the proteins on its outside ("spike protein") and then multiply in that cell's cytoplasm.

 

 

https://www.news-medical.net/health/What-are-Coronaviruses.aspx

Colored scan-electron microscopic recording of Corona viruses (yellow colored) protruded and pinched-off  by the infected cell (blue) (NIAID Integrated Research Facility in Fort Detrick, Maryland).

 

The virus

The genetic material of the Coronavirus consists of a long RNA molecule (30,000 bases). This RNA contains as mRNA the genetic information for 10 genes, which have the information to make 26 different proteins. An important protein is the S- or spike protein, with which it can penetrate (infect) our body cells. The spike protein can therefore be called the key with which the virus can access our body cells. That access is formed by the so-called Ace2-receptor, a protein that is on the outside of many of our body cells. Especially in our nose and lungs there are many of those "Ace2- access gates".

 

3D-model van het Corona-virus, diameter ~100 nm. On the outside the spike-protein (lila), with which the virus makes the first contact with our body cells via the Ace2-receptor.

https://www.biovendor.com/sars-cov-2-2019-ncov-proteins?utm_source=google&utm_medium=organic

 

In the infected cell, the virusRNA is replicated and the information is translated into proteins. Why these replication, transcription and translation processes of the virus trump the normal processes in the cell, is a question that will be answered by physicists rather than biologists. Ultimately, the virus RNA is encapsulated after which the virus particles leave the cell via protrusions of the plasma membrane that are pinched off. The infected cell does not break down, but stays alive and can produce up to 1000 new viruses in 10 hours.

 

The vaccine

The mRNA vaccine contains a short piece of virusRNA that contains the information for a  part of the spike protein. This mRNA piece is packed in a small lipid droplet (diameter 80 nm). When this droplet, through vaccination, enters a cell, the ribosomes make that piece of the spike protein. This forms the so-called SARS-CoV-2 antigen.

These antigens leave the cell and stimulate an immune response in the body, making antibodies against the spike protein. Corona viruses, which enter the body through infection, are inactivated by the antibodies so that they cannot enter the cell and multiply. It is as if the cell takes a picture (the antigen) of the future enemy (the virus), with which the immune system can prepare itself for a possible attack (infection).

 

Left: Figure of a lipid-RNA drop from a publication by Fang et al. (2012).

Right: electron microscope image of lipid-RNA droplets.

See: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/la303012x)

 

The antigens and antibodies are harmless and cannot cause disease. The vaccine contains no live, altered or dead viruses, only a piece of mRNA. Nor can the vaccine change the DNA contained in the chromosomes of our cells, because the "information flow" from DNA to RNA to protein is not easily reversible. 

 

 

20 December 2020 - Thanks to Lidie, Frits Bienfait, Norbert Vischer, Jan Groenendaal and Boudewijn. Data were used from the "Sceptical raptor", a blog about stalking with pseudoscience in the internet jungle:

 https://www.skepticalraptor.com/skepticalraptorblog.php/.

Bacteria in and on your body

(With thanks to Alfonso Jiménez-Sánchez for the article "ADN libre" in his blog "La Ciencia también es Cultura" and to Hans Bergmans, whose comments and corrections I gratefully incorporated)

Many different bacteria (microorganisms) inhabit all those parts of the human body that are in frequent contact with the outside world. Under certain health conditions some bacteria (so-called pathogens) can cause illnesses, but most of the time they live with us in harmony, providing functions that are vital for our survival (like food digestion and breaking down poisons).

Studies have estimated that there are about 10 bacteria for every human cell in our body. But how many cells do we have? This is difficult to determine. If our body would contain 10 trillion cells (10 x 10¹²) the weight of 100 trillion bacteria (average weight = 5 x 10^-12 gram) would be 500 gram or half a kilogram. There are also estimates that the total weight of bacteria in and on the body of an adult person amounts to 1 to 3 kg.

 

A bacterium from our gut, like Escherichia coli, can have many different sizes and shapes. These bacteria can weigh between 0.5 to 10 x 10^-12 gram depending on their growth condition.

Previously a few hundred bacterial species were isolated from the human body. In 2012, researchers from the "Human Microbiome Project" published reports describing 10,000 species in our body, based on analysis of  their DNA. The vast majority of these species have not yet been cultured. Taken together their DNA codes for some 8 million unique proteins, that is 360 times the number of proteins coded by our own DNA. Many of those proteins help us to digest and absorb the food we are eating. But, in addition, the bacteria produce compounds like vitamins that our genes cannot produce (genes are "instruction manuals" present in every single cell of our body; they direct the building of proteins, the "machines" that make our body function).

When we eat our food consisting of plant and animal tissue, we eat cells that contain DNA. This DNA is broken down into small fragments. According to a recent study (Spisák and others, July 2013) some of these fragments can contain genes and can end up in our blood stream (see also Alfonso Jiménez Sánchez, who pointed out this article to me in his article "ADN libre").

The article of Spisák in PLOS ONE (July, 2013)

How should we read such a difficult, technical article? Either, as a human being with deep-seated fears for the uncertainties life brings us, or, as a skeptic who accepts the uncertainties of life, but does not immediately accept the remarkable results in this article?

The first category is well supplied by, for instance, anti-GMO web sites (links 1 and 2) like ISIS (Institute of Science In Society), in which "the hazards of GM and other unknown nucleic acids introduced into the human food chain by GMOs" are emphasized. The second category is supplied, for instance, by a pro-GMO blog "The skeptical Raptor", in which it is pointed out that this mystery has not yet been confirmed by an independent study and that, if it is confirmed, it must always have been so. (See also "The Conversation".)

There is a strange tendency amongst critics of genetic engineering, to assume that the DNA that has been added or changed in a transgenic organism (GMO) has a special status amongst the vastly larger amount of DNA that is naturally present in the organism. The transgenes do not differ in physical and chemical properties from the DNA of other organisms. It is likely that fragments of DNA of any organism that we eat will find its way into our body. In fact, during millions of years of evolution we have developed as organisms that, for our maintenance and multiplication, have to rely on eating other organisms, and thus on eating their DNA. Vast amounts of DNA have entered our system, but there has never been any evidence that this DNA is doing something wrong. No form of cancer has been identified that results from the plant or animal DNA we are eating. Why would the transgenic DNA in a trangenic organism then behave differently?

This last question will certainly not take away the anxiety in people who do not like to live with uncertainties.

Wetenschap in de regen

Die vierde oktober bleef het maar regenen. Ook de mussen houden niet van regen, of niet van natte kruimels. Rosalbina noemde onze mussen (Passer domesticus) “Copetones”. Maar volgens de Guia de Campo de Las Aves de Colombia, die ik van haar kreeg, zijn de mussen in Bogotá van een andere soort: Gorrión copetón.

Een paar dagen geleden lag er plotseling een dikke envelop van "Wageningen University" op de stoep. Dat doet de post normaal niet, want we hebben immers een postfach. Maar dit zag er zó wetenschappelijk uit dat ze het maar aan huis hebben afgeleverd. Pas vandaag durfde ik het proefschrift eruit te halen: "Interplay between the bacterial nucleoid protein H-NS and macromolecular crowding in compacting DNA."  Ook ik moest deze titel 2x overlezen.

De proeven beschreven in hoofdstuk 4 ("to be submitted") heb ik afgelopen zomer mogen overdoen. Het gaat erom hoe een lange, dunne draad, het DNA, in een kleine bacteriecel gepakt zit. Daarvoor moesten heel wat DNA-kluwens gefotografeerd en gemeten worden. De nauwkeurigere, maar afwijkende resultaten moeten nog door Theo O. verwerkt worden. Om de pakking van de kluwens te voorspellen moet je statistisch-mechanisch kunnen rekenen. Zal ik die berekeningen ooit aan iemand kunnen uitleggen? Voor troost en vermaak ben ik nog maar eens naar die filmpjes gaan kijken... :

Opnamen met een fluorescentie-microscoop van DNA-kluwens die uit bacteriën geëxplodeerd zijn. In zo'n filmpje lijkt het wel vuurwerk.

Vandaag regende het de hele dag. Als het vroeger zo regende  nam mijn moeder ons mee in het Bähnli naar de speelgoedwinkel in de grote stad Biel. Met Huib of Wouter mochten we dan een gipsen en beschilderd indiaantje uitzoeken. Een efficiente aanschaf want er werd vele jaren lang mee gespeeld. We gaven ze mooie namen, zoals “Springende Panter”, geinspireerd door de boeken over Tecumseh. Nú, zo'n 60 jaar later, reed ik met eenzelfde gevoel van spanning en verwachting in de regen naar Biel om te zien of ik het atelier van Leo-Paul Robert (1851-1923) kon vinden.

Het grote atelier van Léo-Paul Robert, dat hij liet bouwen om er drie monumentale schilderijen te maken voor het trappenhuis van het Musée d'art et d'histoire in Neuchatel. Daarna verliet hij het atelier, dat nu toebehoort aan een Stichting.

De receptioniste van het Museum Neuhaus, waar ik eerder de tentoonstelling van de bekende vogel-schilder bezocht had, deed alsof ze me niet begreep toen ik haar in Bern-Dütsch vroeg waar het atelier lag. Pas toen het bij mij daagde dat ze niet uit Oost-Europa maar uit Sonvillier kwam en pas nadat ik haar in het Frans had verteld dat mijn grootvader Bürger van Sonvillier was, ontdooide ze en wees ze me vriendelijk de weg op een kaartje aan.

Reden voor mijn tocht naar dit atelier was niet Leo-Paul Robert, maar de Nederlandse schilder-schrijver Fredie Beckmans. Hij had een stukje geschreven in Hollands Maandblad, november 2011. Zijn titel "Kunstenaar in de mist", waarin hij schrijft over Biel, Rousseau en padde(n)stoelen, inspireerde mij voor de titels in dit blog en maakte me nieuwsgierig naar de schrijver.

Ondanks de uitleg van de receptioniste uit Sonvillier kostte het me een uur heen en weer rijden langs de Jura-helling boven Biel, voordat ik de stratenmaker Werner ontmoette, die het me beter kon uitleggen. "Doe Fredie de groeten; we drinken wel eens een glaasje samen." En met die introductie liet Fredie Beckmans me binnen in zijn indrukwekkend atelier. Hij liet me prachtige foto's van paddenstoelen zien, gemaakt op Ile de St. Pierre, de plaats waar Jean-Jaques Rousseau ooit zijn "Cinquième promenade" beschreef (zie blog: http://www.conradlacondamine.com/2009/10/overdenkingen-bij-ons-bezoek-aan-lile.html).

Toen hij hoorde dat ik bioloog was liet hij me foto's van myxomyceten zien en legde hij me uit dat deze organismen (het zijn géén paddenstoelen) uit versmolten cellen bestaan. Hoewel hij zich duidelijk had verdiept in wetenschappelijke aspecten van zijn paddestoelen, liet hij ook blijken dat hij de wetenschap niet al te serieus neemt. Maar hetzelfde leek voor zijn kunst of levensfilosofie te gelden: Hij vertelde me met schijnbare trots dat hij voorzitter was van de "Worstclub", verwijzend naar een grote tatoeage op zijn bovenarm. Pas later begreep ik dat hij veganist was....

Fredie Beckmans in zijn atelier. Op de achtergrond een kaart van Ile de St. Pierre met foto's en vindplaatsen van zijn paddenstoelen.

Kunst en vooral ook religie, die de grote vragen des levens beantwoorden, moet je niet altijd al te serieus nemen, beweerde ooit Gerrit Komrij, Fredie's stadgenoot. Het is immers van belang met de beleving van kunst of religie af en toe de draak te kunnen steken, zoals tijdens Sinterklaas of Carnaval; anders leidt het maar tot moordpartijen. Dit geldt niet voor wetenschap, welke immers niets met beleving te maken heeft en alleen maar héle kleine, meest technische vragen kan beantwoorden. Hoewel, er valt best wat te beleven als je ziet dat de DNA-kluwens goed uit de bacteriën exploderen. Maar van die beleving blijft weinig over als het eenmaal publiek gemaakt wordt.

Met de beleving van religie moet af en toe de draak gestoken kunnen worden.

(Afbeelding van de Iraanse kunstenaar Nooshin Zarnani)

Terug naar paddenstoelen. Dat dat moeilijke organismen zijn ervaarden Rosalbina (zie vorige blog) en ik toen we met Johannes vdV meegingen op zoek naar Steinpilze (Boletus edulis) in de Sutzer Wald. Ondanks de regen in de afgelopen tijd waren er maar weinig te vinden. Johannes legde uit dat de "Schub" niet goed was: paddenstoelen zoals eekhoorntjesbrood groeien in “boosts” of “stuwingen”, waarbij ze allemaal tegelijk rondom een geinfecteerde spar opkomen. De kunst is om zo’n “Schub” te voorspellen en dan te gaan zoeken. Maar wél met kennis van zaken: Terwijl veel boleten (Basidiomyceten) eetbaar zijn schreef mijn vader bij veel soorten “niet goed” (Boletus calopus) of “giftig” (Boletus satanas”) met rode inkt in zijn Pilz-boek.

Met Johannes vdV op zoek naar eekhoorntjesbrood in het Bos van Sutz.

Rechts: aan de rand van de Wolfsgrabe.

Hoeveel verschillende soorten paddenstoelen én myxomyceten gingen er niet door mijn handen toen ik de al half verrotte rondhouten stammetjes van de op 21 maart gevelde eik opstapelde? Maar er was geen tijd ál die verschillende kleuren en vormen te bewonderen: ze moesten gekloven worden en onder het zojuist gemaakte dak gestapeld worden. Na twee jaar drogen zijn ze dan te gebruiken; misschien in de broodoven, die ik naar voorbeeld van Charel Scheele wil bouwen met klei uit de Wolfsgrabe?

Boekjes van de bakkerszoon Scheele met een onverwacht verhaal uit de tweede wereldoorlog: hoe hij in Zeeland zijn Tante Sjoertie met haar gehandicapte zoon door de hongerwinter hielp, teleurgesteld raakte in het verzet van priesters en dominees, toetrad tot de Heiligen van de Laatste Dagen, onterfd werd en emigreerde naar Amerika.