El 11 de febrero de 2020, el Comité Internacional de Taxonomía de Virus adoptó el nombre oficial de "coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo 2" para el coronavirus causante del COVID-19, también conocido como SARS-CoV-2. Desde hace aproximadamente dos años, de una forma u otra, la población mundial se ha visto afectada por este virus, y la prueba de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) ha entrado en nuestra vida cotidiana.

En este punto podríamos preguntarnos fácilmente qué tiene que ver una fuente de alimentación con la PCR, pero entre bastidores la industria de las fuentes de alimentación y las últimas tecnologías digitales de alimentación han contribuido en gran medida a que el proceso de PCR sea eficiente y preciso. Antes de desvelar cómo, retrocedamos en el tiempo hasta el origen de todo

Lectura dentro de la doble hélice
Todos hemos aprendido en la escuela acerca del material hereditario humano conocido como ácido desoxirribonucleico, o ADN, que contiene toda la información genética y las instrucciones necesarias para que los organismos se desarrollen, crezcan, sobrevivan y se reproduzcan. Descubierto originalmente en 1866 por Gregor Mendel, conocido como el "Padre de la Genética", tuvieron que pasar muchos años para que los científicos descubrieran cómo descifrar el código secreto del ADN y cómo podía utilizarse mejor para el bien de la humanidad.

Figura 01 : Estructura de doble hélice del ADN (Cortesía del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano)

En 1953, cuando James Dewey Watson y Francis Harry Compton Crick publicaron sobre la estructura de doble hélice del ADN, que se retuerce para formar la típica estructura en forma de escalera que todos hemos visto en muchas formas representativas (Figura 01), se alcanzó una piedra angular. Su trabajo fue recompensado en 1962 con el Premio Nobel de Medicina, que compartieron con Maurice Hugh Frederick Wilkins por sus descubrimientos sobre la estructura molecular de los ácidos nucleicos y su importancia en la transferencia de información en la materia viva.

La composición del ADN es como las letras individuales del alfabeto. Cuando se combinan entre sí en un orden específico, se forman palabras, frases e historias. Leer el libro y comprender su contenido requirió una intensa investigación y no fue hasta marzo de 2022 cuando los científicos trazaron por fin el primer mapa completo del genoma humano, compuesto por más de 3.000 millones de pares de bases. Es difícil visualizar lo que representa, pero traducido a algo más tangible sería el equivalente a un libro con un millón de páginas: un montón de lectura para irse a la cama.

Completar el genoma humano ha sido posible gracias a un gran número de innovaciones tecnológicas. Por ejemplo, el método de secuenciación de ADN de Oxford Nanopore, que puede secuenciar hasta un millón de letras de ADN a la vez, aunque con algunos errores, y el método de secuenciación de ADN PacBio HiFi, que puede leer 20.000 letras con una precisión del 99,9%. Grandes logros, pero ambos no habrían sido posibles sin los descubrimientos de inventores pioneros.

Figura 02 Dr. Kary Banks Mullis

La comprensión del ADN ha sido un área de investigación muy importante y una caja de herramientas en desarrollo para descifrar, es el sueño de todo bioquímico y merece la pena mencionar a Kary Banks Mullis que en 1983 inventó la PCR que ha contribuido a impulsar la investigación y la velocidad de la comprensión en profundidad del ADN (Figura 02).

Ha nacido la máquina de copiar ADN
¿Leyenda urbana o realidad? Se dice que en 1983, mientras conducía desde la zona de la Bahía hasta su cabaña en Mendocino, como un rayo caído del cielo californiano el Dr. Kary Banks Mullis imaginó una forma de localizar un tramo concreto de ADN y sintetizar una enorme cantidad de copias. En aquella época Mullis trabajaba para la empresa Cetus y se centró en convertir su visión en un proceso.

Tras muchos altibajos, en 1987 Mullis envió un artículo a la revista Nature : "Methods in Enzymology" que fue el detonante de la evolución de la PCR. En 1993 recibió el Premio Nobel de Química por su invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). El proceso, que Mullis conceptualizó en 1983, se considera una de las técnicas científicas monumentales del siglo XX.

Figura 03 : Proceso y ciclos de la PRC (Cortesía del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano)

¿Qué es la PCR y cómo funciona?
La reacción en cadena de la polimerasa (abreviada PCR) es una técnica de laboratorio para producir rápidamente (amplificar) millones o miles de millones de copias de un segmento específico de ADN, que luego pueden estudiarse con mayor detalle. La PCR implica el uso de fragmentos sintéticos cortos de ADN llamados cebadores para seleccionar un segmento del genoma que se amplificará y, a continuación, múltiples rondas de síntesis de ADN para amplificar ese segmento (Figura 03). Para ello se utiliza un proceso específico que requiere que las muestras se coloquen en tubos y se expongan a un termociclado muy preciso, ¡y aquí es donde la alimentación se encuentra con el ADN!

Este proceso incluye varios pasos pero tres son los más críticos (Desnaturalización, Alineamiento, Extensión) y se repiten varias veces para hacer copias de los segmentos de ADN (Figura 04). Sin entrar en demasiados detalles, podemos resumir los tres pasos críticos a continuación:

Primer paso - Desnaturalización
La preparación contenida en el tubo se calienta a 94°C como mínimo. El calor rompe los enlaces de hidrógeno de la muestra de ADN original y separa el ADN en cadenas simples.

Segundo paso - Alineamiento
La temperatura se reduce a aproximadamente 5 °C por debajo de la temperatura de fusión de los cebadores, entre 50 y 60 °C, lo que permite que los cebadores de ADN y la enzima ADN polimerasa se unan a las hebras individuales de ADN que se separaron por el calor. En este punto, los nucleótidos (A, T, C, G) de la solución de mezcla añadida se emparejarán con las hebras individuales de ADN separadas que resultaron del proceso de calentamiento.

Tercer paso - Extensión
A continuación, se aumenta la temperatura hasta 72°C para iniciar el proceso de extensión. Entonces, una vez que los segmentos se unen, forman una nueva cadena complementaria de ADN. Se ha formado una nueva molécula duplicada de ADN de doble cadena a partir de cada una de las cadenas simples de la molécula original de la muestra. Una vez completada la secuencia, se aumenta la temperatura para iniciar un nuevo ciclo.

Los pasos uno a tres se repiten entre 30 y 40 veces, con lo que se repiten automáticamente los ciclos de calentamiento y enfriamiento del proceso, con lo que la secuencia de ADN se duplica cada vez que se realiza el ciclo de calentamiento/enfriamiento. Al final del proceso se obtienen millones de copias de la muestra original.

Cuarto paso - Extensión final y almacenamiento
Se requiere un paso final de extensión para permitir que todos los productos de la PCR se sinteticen correctamente, normalmente a 72°C durante 10 min. Por último, la temperatura debe reducirse a 4°C para almacenar el producto de la PCR hasta su análisis.

Dependiendo del objetivo final, el tiempo o el nivel de precisión requerido, a menudo se utilizan variaciones de este proceso, por ejemplo, PCR cuantitativa en tiempo real (qPCR), PCR de transcripción inversa (RT-PCR), PCR de transcripción inversa-cuantitativa (RT-qPCR), PCR digital (dPRC) y PCR digital de gotitas (ddPCR), PCR de microfluidos.

Figura 05 : Equipo PCR típico de laboratorio (PRBX/ Natatravel/Shutterstock)

Fuentes de alimentación para una PCR eficaz
Hay muchas aplicaciones médicas que requieren control térmico, por ejemplo, incubadoras neonatales, calentamiento de sangre para hemólisis, cámaras de incubación de laboratorio, etc. La mayoría de estas aplicaciones requieren una regulación térmica precisa y la mayoría de las fuentes de alimentación médicas con control de tensión de salida son adecuadas para este tipo de aplicaciones. En el caso de los equipos de PCR (figura 05) y la especificidad de los ciclos térmicos con alta precisión y secuencias repetitivas, requieren una solución de potencia específica, y a menudo adoptan un enfoque modular con el tren de potencia y el control incorporado en el bucle de control térmico de PCR.

Como se muestra en la figura 04, los ciclos térmicos son bastante cortos, requiriendo que el elemento calefactor ajuste su temperatura entre +95C alto, +50C bajo, +72C meseta y de vuelta a +95C después de cuatro minutos. Este ciclo se repite entre 30 y 40 veces, con un nivel de precisión muy elevado.

Existen diferentes métodos para generar y controlar la temperatura en los termocicladores, pero muchos utilizan elementos de efecto Peltier. Si la aplicación principal del efecto Peltier es la refrigeración, el efecto Peltier también puede utilizarse para el calentamiento o el control de la temperatura. También podría asociarse a otro elemento calefactor y luego, mediante una histéresis controlada, enfriar la cámara térmica.

Figura 06 : Fuente de alimentación convencional con control digital y supervisión mediante entrada digital, por ejemplo, PMBus (PRBX)

Los fabricantes de termocicladores PCR han desarrollado algoritmos muy complejos para ajustar y controlar el nivel de temperatura con gran precisión. Con la introducción de la potencia digital y el control y la gestión de la energía se ha hecho más fácil interconectar la CPU del termociclador con la etapa de conmutación y controlar el voltaje y la corriente a través de una interfaz digital, por ejemplo, PMBus, para alimentar los elementos de calentamiento/enfriamiento (Figura 06).

En algunos casos, la señal PWM es generada por el controlador del termociclador e inyectada en la etapa de conmutación de la fuente de alimentación para controlar estrictamente los parámetros sin pasos adicionales (Figura 07).

Dado que la etapa de potencia está muy integrada en el bucle de control térmico, a menudo se convierte en parte de él y los diseñadores de potencia tienen que trabajar en estrecha colaboración con los programadores para ofrecer el tiempo de respuesta más optimizado a una demanda específica, lo cual es muy interesante y, de hecho, muy diferente de las formas más convencionales de trabajar a la hora de diseñar soluciones de potencia.

En conclusión:
Desde su descubrimiento por el Dr. Kary Banks Mullis en 1983 hasta su aplicación masiva para detectar la presencia del virus SARS-CoV-2 en miles de millones de muestras, la tecnología PCR ha desempeñado un papel muy importante en la investigación médica y la salud pública. También ha sido un campo muy interesante para que los ingenieros de electrónica de potencia diseñen soluciones de alimentación (Figura 08) en estrecha colaboración con la industria médica para desarrollar fuentes de alimentación muy específicas con un alto nivel de programación e integración de sistemas.

¿Quién dijo que el mundo de las fuentes de alimentación es aburrido?

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Referencias:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Dr. Kary Banks Mullis
https://www.karymullis.com/

La secuencia completa del genoma humano
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987

Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano
https://www.genome.gov/

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Referencia: PRBX-A-051-ES

About the author:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un experto en marketing e ingeniero titulado con 40 años de experiencia en electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital y en iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos libros blancos y artículos en las principales conferencias internacionales sobre electrónica de potencia. Éstos se han publicado más de 450 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, compartiendo su experiencia y conocimientos sobre energías limpias.
Patrick Le Fèvre
Director de Marketing y Comunicación de Powerbox