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Biología estructural del ribosoma, una gran maquinaria para la síntesis de proteínas

El Premio Nobel de Química 2009 reconoce un esfuerzo conjunto de diversos grupos de investigación localizados en diferentes países en la aplicación de una técnica establecida, la cristalografía de rayos X, a la compresión estructural de una maquinaria celular de gran complejidad, el ribosoma. Dicho esfuerzo ha culminado en un notable resultado, el conocimiento de la estructura molecular a nivel atómico del ribosoma bacteriano y de los mecanismos íntimos de la síntesis de proteínas.
Por Israel Sánchez y Óscar Llorca Centro de Investigaciones Biológica (CSIC) ollorca@cib.csic.es
DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2010.01.1

El día 10 de Diciembre de 2009 será entregado el Premio Nóbel de Química 2009 conjuntamente a tres investigadores, dos americanos y una israelí, por sus investigaciones relacionadas con la determinación de la estructura tridimensional a alta resolución de la maquinaria molecular celular denominada ribosoma. Dichos investigadores son: Thomas A. Steiz de la Universidad de Yale en Estados Unidos, Vekatraman Ramakrishnan del Laboratory of Molecular Biology en Cambridge, Reino Unido y Ada E. Yonath actualmente en el Instituto Weizmann de Israel.

Este premio reconoce los trabajos realizados a lo largo de más de treinta años, encaminados hacia la determinación de la forma tridimensional de una elemento central de la biología de todos las seres vivos, la maquinaria molecular responsable de la síntesis de nuevas proteínas, el ribosoma. En la segunda mitad del siglo XX se estableció conceptualmente lo que se denominó el Dogma Central de la Biología Molecular, el cual afirma que los seres vivos almacenan su información genética en forma de polímeros de DNA, que esta información es copiada a una versión de RNA y que dicha copia de RNA es interpretada («traducida») para dar lugar a una proteína. Las proteínas son los agentes que llevan a cabo en la célula la mayor parte de las funciones esenciales para su supervivencia. El ribosoma es responsable esta última fase, la síntesis de nuevas proteínas usando la copia en RNA del DNA. Este Dogma Central de la Biología Molecular ha vertebrado la investigación biológica desde los años cincuenta del siglo XX, cuando fue establecido, hasta la actualidad, donde se ha visto matizado y complementado.

El ribosoma está compuesto por una mezcla de RNA y proteínas, siendo el porcentaje de RNA 2/3 de su masa total y solamente 1/3 el de proteínas. El ribosoma está compuesto por dos subunidades que actúan de forma concertada, denominándose (en bacterias) subunidad pequeña o 30S (por su coeficiente de sedimentación) y subunidad grande o 50S. En conjunto, el ribosoma es una partícula enorme, que ha sido ampliamente estudiado durante más de cincuenta años mediante técnicas bioquímicas y genéticas, estableciéndose su ciclo funcional y los factores externos necesarios para su funcionamiento. Toda esta información necesitaba ser enmarcada en un contexto estructural para poder entender las bases químicas y físicas que rigen un proceso tan complejo como es la traducción. Para obtener dicha información estructural a nivel atómico, se precisa una sofisticada técnica biofísica, la difracción de rayos X. Dicha técnica se aplica sobre cristales tridimensionales de muestras biológicas, siendo este paso, la obtención de cristales de un tamaño adecuado y una capacidad de difracción alta, un paso limitante en esta técnica. A principios de los años 80 del siglo XX, se había aplicado de forma exitosa la difracción de rayos X para la obtención de información de alta resolución de diversos complejos macromoleculares, pero el ribosoma, debido a su enorme tamaño y a su compasión (principalmente RNA, mas sensible a la radiación X que las proteínas) se consideraba lejos del alcance de dicha técnica. Fue en ese momento cuando Ada Yonath, por aquel entonces en Alemania, se embarco en la búsqueda de una especie bacteriana susceptible de proporcionar ribosomas o sus subunidades, que fueran más fácilmente cristalizables y así, ser capaces de aplicar técnicas de difracción de rayos X. Tras una amplia búsqueda, se descubrieron diversas especies bacterianas y de arqueo-bacterias capaces de producir cristales que difractaban a una resolución media, entre las que destacaban dos especies, Thermus thermophilus y Haloarcula marismortii. A pesar de estos éxitos iniciales a principios de los 80, a lo largo de esa misma década y gran parte de la siguiente, no se produjeron avances significativos. Fue la participación de los laboratorios de Thoma A. Steinz y Vekatraman Ramakrishnan el impulso definitivo para, en torno al cambio de siglo, finalmente resolver la estructura tridimensional a alta resolución de ambas sub-unidades ribosomales.

Tras estos trabajos pioneros y fundamentales, en el presente siglo se ha producido una enorme cantidad de trabajo relacionado con la biología estructural de los ribosomas, destacando la resolución de complejos entre la subunidades 30S y 50S y diversos antibióticos, así como, la resolución de la estructura tridimensional del ribosoma completo bacteriano en complejo con tRNAs y mRNA. La información derivada de todo este conjunto de trabajos es increíblemente valiosa. A día de hoy se conoce a nivel atómico cómo el ribosoma es capaz de añadir nuevos aminoácidos a la proteína naciente con un grado de fidelidad asombroso y cómo interacciona el mRNA y los tRNAs con el ribosoma. Gran cantidad de complejos entre el ribosoma y proteínas accesorias están siendo resueltos a alta resolución, permitiendo una comprensión de su función, así como la localización y análisis de la función de una multitud de compuestos antibióticos. Este último conjunto de trabajos proporcionara información crucial a la hora de generar nuevos compuestos antibióticos capaces de superar los problemas de resistencias que actualmente tenemos que enfrentar.

La biología de una maquinaria como el ribosoma es tan compleja, que incluso la cristalografía de rayos X tiene sus limitaciones a la hora de comprender estos procesos a nivel estructural. Recientemente la maduración de las técnicas de microscopía electrónica de macromoléculas que permiten observar moléculas individuales de complejos macromoleculares ha permitido resolver estadios conformacionales no resueltos por la cristalografía. La congruencia entre los resultados obtenidos mediante microscopía electrónica y difracción de rayos X señala un camino de cooperación entre ambas metodologías para resolver la enorme complejidad estructural y funcional del ribosoma y de otros grandes complejos macromoleculares.

Estructura del ribosoma unido a EF-Tu y aminoacil-tRNA. La imagen muestra una vista de un complejo del ribosoma generada a partir del PDB 2WRR publicado en la revista «Science» en 2009 por Schmeing TM, Voorhees RM, Kelley AC, Gao YG, Murphy FV 4th, Weir JR y Ramakrishnan V. Se puede apreciar la gran complejidad estructural de esta maquinaria macromolecular.
Referencias:
  1. What recent ribosome structures have revealed about the mechanism of translation. Schmeing TM, Ramakrishnan V. Nature. 2009, 461(7268):1234-42.
  2. Structures of MLSBK antibiotics bound to mutated large ribosomal subunits provide a structural explanation for resistance. Tu D, Blaha G, Moore PB, Steitz TA. Cell 2005, 121(2), 257-70.
  3. High resolution structure of the large ribosomal subunit from a mesophilic eubacterium. Harms J, Schluenzen F, Zarivach R, Bashan A, Gat S, Agmon I, Bartels H, Franceschi F, Yonath A. Cell 2001, 107(5), 679-88.
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Entrevista a Óscar Llorca

P.- ¿Podría resumirnos su trayectoria profesional?

R.- Me licencié en CC Biológicas por la Universidad de Navarra en 1992. Entonces, me trasladé al Centro de Biología Molecular en Madrid con una beca de introducción a la investigación del CSIC, en lo que supuso un primer contacto con la investigación en Biología Molecular. Entre 1992 y 1996 realicé mi tesis doctoral en el Centro Nacional de Biotecnología bajo la dirección de los profesores José L. Carrascosa y José M. Valpuesta. Mis trabajos se centraron en la caracterización bioquímica, funcional y estructural de las chaperonas GroEL y GroES de E. coli. Durante el trabajo de mi tesis doctoral comencé a utilizar la microscopía electrónica de proteínas. Entre 1996 y el año 2000 continué dentro del mismo grupo como post-doctoral. Esta etapa no fue una mera continuación del trabajo de la tesis doctoral sino que se definieron nuevos objetivos científicos y metodológicos, que ampliaron mi formación. Estudié los sistemas de chaperonas en mamíferos y participé en la puesta a punto en el laboratorio del CNB de las metodologías de crio-microscopía (a temperaturas de nitrógeno líquido) y reconstrucción tridimensional de complejos macromoleculares a partir de imágenes individuales de proteínas.

En la segunda mitad de 2000 me trasladé al «Institute of Cancer Research» (ICR) en Londres, con una beca Marie Curie de la Unión Europea. El ICR es uno de los centros punteros en Europa en la investigación multidisciplinar del cáncer, incluyendo la biología celular, molecular, biología estructura e investigación clínica. Mi trabajo se realizó en los grupos de los Profesores Alan Ashworth y Keith Willison y se centró en el la purificación y caracterización inicial de los complejos formados por la proteína Brca2 de susceptibilidad al cáncer de mama. Mi estancia en Londres me permitió adquirir experiencia en técnicas nuevas para mi en biología celular, cultivos celulares, purificaciones de complejos macromoleculares, y adquirí además un gran interés y curiosidad científica por los sistemas de control del ciclo celular, los sistemas de traducción de señales y la reparación de daños en el ADN, todos ellos procesos centrales en la biología celular del cáncer. En Junio de 2002 tomé posesión de una plaza de Científico Titular en el CIB donde he establecido un grupo dedicado a la Microscopía Electrónica y Reconstrucción Tridimensional de complejos macromoleculares de relevancia en salud humana. 

P.- ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Siempre es difícil mirar atrás y pensar qué cambiaríamos de nuestra vida puesto que lo que pensamos y sabemos ahora es resultado de la propia experiencia anterior que se quiere cambiar. Probablemente buscaría una formación más multi-disciplinar. La Biología Estructural moderna exige aproximar nuestras preguntas científicas mediante metodologías muy variadas que cubran desde la definición de la estructura de una proteína hasta la biología molecular y celular de ésta.  

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Les recomiendo disfrutar de lo que hacen, puesto que de otra manera no tiene sentido meterse en esta carrera. A las personas que comienza su carrera científica les estamos obligando a preocuparse demasiado de cuanto publican, puesto que su continuidad en la carrera científica depende de eso (para pedir becas o contratos por ejemplo). Publicar es importante puesto que es el reflejo del trabajo invertido, pero no debe ser el objetivo en si mismo. Debemos tener genuino interés y curiosidad por resolver nuestro problema biológico, y esta debe ser la fuerza que nos mueva. La publicación es el resultado de esta búsqueda pero no el objetivo.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en que consiste su línea de investigación actual y cual es su trascendencia?¿Cómo ve el futuro de esta área científica?

R.- Buena parte de los procesos celulares están gobernados por la actividad de proteínas cuya estructura tridimensional determina sus mecanismos de funcionamiento. Uno de los grandes cambios de paradigma en la biología de finales del siglo XX ha sido el descubrimiento de que en buena parte de las actividades celulares, las proteínas funcionan como consorcios donde varias proteínas ensamblan grandes estructuras macromoleculares que se han denominado «maquinas moleculares». Ciertamente el funcionamiento de estas estructuras se asemeja a un motor o una máquina, donde la forma y los movimientos característicos de las distintas «piezas» (sub-unidades del complejo) son la base de su funcionamiento. Lo que es más importante, son las mutaciones que alteran la estructura y función de estos grandes ensamblados macromoleculares el origen de muchas enfermedades humanas. Paralelo a este cambio de visión del funcionamiento de la célula se ha producido un enorme desarrollo metodológico de herramientas que permiten analizar moléculas individuales de estos complejos para comprender cómo funcionan. Nuestro grupo de investigación en el Centro de Investigaciones Biológicas de Madrid ha centrado su actividad en el uso de técnicas de microscopía electrónica con la suficiente resolución para visualizar moléculas individuales de proteínas y utilizando sofisticadas metodologías de procesamiento digital de imagen resolver su estructura en tres dimensiones. Nuestro objetivo es utilizar estas y otras metodologías moleculares para comprender a nivel íntimo el funcionamiento de complejos macromoleculares implicados en salud humana. Nuestro grupo centra en la actualidad sus esfuerzos, entre otros, en dos grandes campos de actuación: a) Complejos macromoleculares que manipulan los ácidos nucleicos, DNA y RNA, y que participan por ejemplo en la respuesta a lesiones en el DNA; b) Más recientemente hemos comenzado a estudiar complejos de sistema inmune del complemento, responsable de múltiples patologías. Este trabajo se realiza en colaboración con el grupo del Prof. Santiago Rodríguez de Córdoba del CIB.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre como esta articulada la carrera científica en España?

R.- Desde mi punto de vista, el mayor problema de la carrera investigadora en España es la inexistencia de un mecanismo de estabilización laboral de los investigadores «de apoyo» de un grupo. Es este simple hecho el que causa grandes distorsiones del sistema. Voy a intentar definir esta idea un poco más detalladamente. Los grupos de investigación actuales necesitan, para ser competitivos, tener una masa de personal investigador ya formado (doctores) suficientemente grande, trabajando en unos objetivos comunes. A base de personal en formación y grupos muy pequeños es difícil abordar la multi-disciplinaridad de cualquier problema en la biología moderna. En contraposición a esta necesidad, a nuestros doctores se les «educa» en que su única forma de estabilización profesional es conseguir una «plaza» o equivalente, en la que se les valora tener su propia línea de trabajo, su propio proyecto, y así estos jóvenes investigadores buscan como objetivo desarrollar su propia línea de investigación. Pero, ¿cómo vamos a hacer grupos grandes y potentes si a la gente formada se le dice que sólo tendrá una posición laboral estable si tienen su propia línea independiente? El sistema debe buscar a la gente emprendedora para generar nuevos grupos, pero el sistema no puede absorber a tantos grupos nuevos como investigadores valiosos hay, y no todo los investigadores tienen el interés o la capacidad para dirigir un grupo. Esto genera una gran distorsión de gente que busca ser responsable de grupo fundamentalmente porque es eso o nada, una vez agotados todos los contratos post-doc posibles. Los grupos necesitan tener personal investigador ya especializado que mantenga en el tiempo las ideas, los protocolos y que trabaje unido en unos objetivos globales. ¿Alguien se imagina una empresa donde sólo hubiera aprendices de la profesión y jefes? ¿Y quién hace el trabajo?  Yo veo dos posibles caminos para solucionar este problema. Una posibilidad sería distinguir en las convocatorias de plazas/contratos ofertados para personal científico por las instituciones científicas aquellas plazas cuyo objetivo es reforzar los grupos existentes y aquellas para formar un nuevo grupo. Sólo las segundas irían dotadas de un compromiso de espacio y recursos y los meritos a valorar en los candidatos serían distintos a las plazas de refuerzo de los grupos. En estas últimas, no hablo de contratar «técnicos» que ya tienen convocatorias específicas, sino de personal científico investigador. Otra posibilidad, que es lo que yo viví en mi post-doctoral en Londres, es dotar a los proyectos de investigación de capacidad presupuestaria para contratar 3, 4 o 5 doctotes por proyecto. De esta manera se generaría un mercado de doctores que podría tener movilidad entre grupos, capacidad de absorber al personal formado y potenciaría la capacidad de investigación de los grupos. Lógicamente todas estas opciones deberían complementarse con los mecanismos de evaluación del contratado o del grupo contratante que asegure un buen equilibrio entre la estabilidad laboral del trabajador y la evaluación de su rendimiento.

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Nuestro sistema de Ciencia e Innovación necesita más recursos para ser competitivo, pero sobre todo una mejor organización de cómo se invierten estos recursos y un mejor funcionamiento de nuestras instituciones científicas. Me gustaría destacar tres aspectos:

1) La ciencia moderna es difícilmente competitiva sin el apoyo de una institución bien financiada que apoye las tareas de investigación con plataformas tecnológicas, servicios a la investigación etc. Áreas como la Biología estructural por ejemplo, necesitan una inversión en infraestructura costosa de adquirir pero sobre todo de mantener y modernizar. Es muy difícil financiar el mantenimiento y mejora de las infraestructuras de un centro si esto depende en su mayor parte de los proyectos de investigación. Además los centros de investigación deben invertir en personal de apoyo en la gestión de la ciencia (organización de congresos, ayuda en la preparación de propuestas de financiación europeas y «lab managers «, por ejemplo) para que los investigadores se dediquen a investigar y no a hacer papeles.

2) Oímos con frecuencia la necesidad de la transferencia de los resultados de los laboratorios de investigación básica a la industria, pero quizás a veces fallamos en tener una visión demasiado a corto plazo. Si queremos que un grupo haga transferencia de conocimiento, eso implica invertir el trabajo de mucha gente durante mucho tiempo, y saber que aún así la mayor parte de las cosas no funcionarán, pero lo que funcione será innovador. Es difícil que un grupo mantenga ese ímpetu innovador si se le evalúa sólo resultados a dos años vista y si al personal contratado se le va a mantener el contrato sólo en función de cuantos trabajos publique. Como ejemplo a imitar, innovaciones tecnológicas del MRC de Cambridge por ejemplo, son el resultado de una financiación a grupos durante muchos años, al que se le ha evaluado su actividad pero no sólo sus publicaciones y se ha decidido confiar en ellos.

3) Por último, debemos racionalizar nuestras inversiones en infraestructura científica. Resulta sorprendente determinadas actuaciones en el uso de los recursos limitados para infraestructura. La adjudicación de estos recursos debe estar basada en su interés y necesidad científica, pero sobre todo en la capacidad de la institución de tener personal formado capaz de sacar provecho a los equipos. Las máquinas no funcionan solas. Con demasiada frecuencia encontramos grupos punteros en una metodología con enormes dificultades de renovar mínimamente su equipamiento y por otro lado grandes inversiones de equipamiento que acaban teniendo poco o ningún uso porque la institución receptora no tiene gente formada para sacar provecho al equipo.

Perfil de Óscar Llorca

Oscar Llorca, natural de Tudela (Navarra) se licenció en CC. Biológicas por la Universidad de Navarra en 1992, tras lo cual se trasladó al Centro Nacional de Biotecnología (CSIC) para realizar la tesis doctoral bajo la dirección de los profesores José L. Carrascosa y José M. Valpuesta. Hasta el año 2000 continuó dentro del mismo grupo, realizando contribuciones de gran proyección en el conocimiento de la estructura y función de chaperonas en el plegamiento de proteínas. En el 2000 se trasladó al «Institute of Cancer Research», Londres, con una beca Marie Curie de la Unión Europea, trabajando en la caracterización estructural de proteínas de predisposición al cáncer de mama. En Junio de 2002 tomó posesión de una plaza de Científico Titular en el Centro de Investigaciones Biológicas del CSIC en Madrid, donde ha establecido un grupo dedicado a la Microscopía Electrónica y Reconstrucción Tridimensional de complejos macromoleculares. El objetivo del grupo es la determinación de la estructura y de los mecanismos moleculares de funcionamiento de macromoléculas biológicas de interés en biomedicina. Como herramienta primordial utiliza metodologías de Microscopía Electrónica de macromoléculas y procesamiento digital de imagen. En la actualidad el grupo trabaja en el estudio de la replicación y de la reparación de daños en el DNA, así como la caracterización de los mecanismos estructurales de la regulación del sistema del complemento en la inmunidad innata. El grupo ha realizado contribuciones importantes en estos campos, con publicaciones de impacto. Oscar Llorca es Profesor de Investigación del CSIC y ha recibido el Premio Francisco Cobos a la Investigación Biomédica.