Ahora será posible “estabilizar” las proteínas

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Toda la vida depende de las proteínas; Así, los estudios en prácticamente todas las ciencias de la vida – incluyendo la investigación biomédica y farmacéutica – requieren el uso de proteínas. Sin embargo, muchas proteínas, especialmente las grandes o humanas, son inestables; no se pueden producir en los sistemas bacterianos que hoy se han convertido en estándar, y pueden requerir sistemas alternativos costosos e ineficientes. La inestabilidad también se debe a que muchas proteínas son sensibles al calor, a condiciones ambientales o concentraciones altas, o de lo contrario sólo tienen una vida útil corta. Para los científicos, el problema de la estabilidad puede ser crítico. Terapias prometedoras incluso han fallado porque las proteínas no eran lo suficientemente estables.
El Dr. Sarel Fleishman y su estudiante de investigación Adi Goldenzweig del Departamento de Ciencia Biomolecular del Instituto Weizmann ahora han propuesto una solución a este problema. En el laboratorio de Fleishman, se utilizan herramientas computacionales para diseñar nuevas estructuras de proteínas. Tomando la ambiciosa tarea de mejorar la estabilidad de la proteína, tuvieron éxito más allá de sus sueños: el método que crearon se puede utilizar para diseñar versiones estables de casi cualquier proteína. Esto podría ayudar a la investigación de muchos grupos de todo el mundo; y puede, en el futuro, conducir a mejores fármacos basados en proteínas.
Los investigadores comenzaron el estudio con una proteína llamada acetilcolinesterasa (AChE). La AChE rompe un neurotransmisor que los nervios utilizan para comunicarse con los músculos. Cuando hay mal funcionamiento de la AChE, los músculos – incluyendo los músculos cardíacos y pulmonares – están atrapados en un estado contraído.
La AChe, que es una gran proteína compuesta de 550 aminoácidos, es susceptible de desmoronarse cuando los cambios de temperatura y su gran tamaño dejan espacio para errores en la producción o plegado. El plan de los científicos era introducir mutaciones en la secuencia de estabilización de la proteína cuando sea necesario. Una proteína fuerte como AChE requeriría docenas de mutaciones: el reto era que una sola mutación podría potencialmente interferir con la función de la proteína, y la combinación de ellas podría conducir a nuevas perturbaciones.

La tradición de la AChE
Fleishman y su equipo fueron ayudados por el hecho de que la AChE ha sido el tema de la investigación del Instituto Weizmann desde la década de 1990, cuando los profesores Israel Silman y Joel Sussman elaboraron la estructura 3-D de la proteína a nivel atómico, utilizando las técnicas de cristalografía más avanzadas disponibles en el momento. Entre otras cosas, la AChE ha sido implicada en la enfermedad de Alzheimer, y varios fármacos de Alzheimer trabajan mediante la inhibición de la proteína. La comprensión de la estructura ayudó al equipo del Instituto Weizmann y otros a trabajar las acciones de estos fármacos. Además, la forma en que funcionan las proteínas en el cuerpo normal, y la forma en que los venenos – incluyendo el veneno de serpiente, el gas nervioso y pesticidas agrícolas – impiden que esta proteína lleve a cabo su tarea. Sussman también es pionero en el uso de la computación para dilucidar la estructura de proteínas, y ayudó a crear una de las primeras bases de datos de proteínas en línea – Proteopedia. Fleishman y su equipo se embarcaron en su estudio utilizando los datos de la estructura cristalina; la versión diseñada de la proteína tiene ahora su propia página, Proteopedia.

Preservar la función, el aumento de la estabilidad
Fleishman y Goldenzweig primero necesitaban saber qué partes de la secuencia de la proteína de los aminoácidos son vitales. Compararon la AChE humana con cientos de proteínas que realizan funciones similares en los animales, desde peces a seres humanos, en el supuesto de que si un aminoácido fue conservado durante la evolución natural de la proteína, probablemente era necesaria. El siguiente paso – la introducción de las mutaciones estabilizantes – necesitó de un software especial, Rosetta, que ha sido desarrollado en colaboración entre decenas de laboratorios de todo el mundo, incluyendo el de Fleishman.
Fleishman explica: “Nos fijamos en las fuerzas que gobiernan la estabilidad de proteínas – por ejemplo, la fuerza electrostática que atrae una carga negativa a una positiva. La atracción y repulsión entre las cargas de los aminoácidos de la proteína dan su forma y determinan lo bien que va soportar las temperaturas más altas. Por lo tanto, buscamos sustituciones de aminoácidos que cambian la naturaleza de la atracción (o repulsión) y, como apretando decenas de tornillos en la estructura, estabilizamos la proteína”.
Goldenzweig, un tecnófobo confeso, aprendió el software Rosetta, así como el lenguaje de programación Python y los utilizó para escribir algoritmos para el diseño de una proteína totalmente renovada. La versión estable predicha de AChE en última instancia implicaba la introducción de 51 mutaciones diferentes: es decir, casi 10% de los aminoácidos en la secuencia – un número sin precedentes para el diseño. Moshe Goldsmith del laboratorio del profesor Dan Tawfik luego probó la versión predicha de forma experimental. La proteína mostró mejoras dramáticas: puede ser producida en cantidades sustanciales en sistemas bacterianos; y es funcional a temperaturas de hasta 70 º C, mientras que la proteína original se descompone en alrededor de 50 ° C.
“Con un gran número de mutaciones por ejemplo, no debería haber habido casi ninguna posibilidad de que la función de la proteína no se vea afectada”, dice Fleishman. “Cuando enviamos nuestro mejor diseño para el Prof. Tawfik,” dice Goldenzweig, “estábamos seguros de que tendríamos, al menos, tener que volver atrás y hacer más ajustes.” Pero cuando tuvo los resultados experimentales, Tawfik les envió su correo electrónico: “¡Brillante!”
El Centro de Proteómica Estructural del Instituto Weizmann entonces produjo grandes cantidades de la proteína diseñada y determinó su estructura 3D a resolución atómica; a pesar de las 51 mutaciones, el sitio activo de la proteína era virtualmente indistinguible de la de la proteína humana. ■

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