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Las proteínas: esos claros objetos de deseo

Las proteínas naturales son moléculas sencillas en las que se manifiesta un comportamiento muy complejo gracias a que son capaces de adquirir formas tridimensionales que reconocen y actúan sobre otras moléculas. Comprender y poder calcular estas formas a partir de las secuencias de aminoácidos será clave para entender la célula.

Puede que exista vida en otros planetas. ¿Quién sabe cómo será? (1) Por el momento, todos los seres vivos que conocemos están compuestos por los mismos tipos de moléculas entre los que destacan las proteínas por la sorprendente variedad de acciones que son capaces de llevar a cabo. Y eso que todas las proteínas se parecen mucho, pues todas son polímeros lineales construidos con los mismos 20 tipos de aminoácidos (2). Esta característica resulta muy conveniente para los seres vivos porque todas las proteínas se pueden sintetizar de la misma manera, lo que supone un gran ahorro de información y por tanto de energía.

Cada proteína es un objeto perfectamente definido, formado por muy pocos tipos de átomos distintos (sólo 5, si no hay modificaciones tras la síntesis). Las proteínas son, como buena parte de los polímeros lineales, extraordinariamente flexibles. Cualquiera de ellas puede adoptar un número desesperantemente alto de formas distintas que poseen energías muy parecidas. Aunque algunas proteínas podrían ser útiles a pesar de fluctuar entre sus distintas conformaciones (3), la mayor parte de las proteínas que conocemos bien ejercen sus acciones específicas tras haber adoptado una conformación específica, la que llamamos nativa y que suponemos de menor energía que todas las demás.

Impresiona que cada molécula de proteína sea capaz de plegarse para adoptar su conformación nativa en un tiempo muy pequeño (entre microsegundos y unos pocos segundos). Y todavía impresiona más que lo consiga fuera del entorno celular, sin participación de otras moléculas o estructuras celulares. Aunque, en realidad, siempre participan las numerosas moléculas de agua en cuyo seno se encuentran disueltas las proteínas que se están sintetizando y, frecuentemente, las que ya se han plegado del todo.

La razón por la que las proteínas se pliegan tan eficazmente es meridianamente clara: el conjunto de las interacciones que establecen los átomos de la proteína y del agua determina que basten unos pocos milisegundos para alcanzar la conformación nativa. Lo cierto es que esas interacciones no tienen mucho de misterioso: son interacciones entre cargas o distribuciones de carga presentes en la proteína y en el agua. Como, habitualmente, cuando una proteína se pliega no se forman ni rompen enlaces covalentes, las ecuaciones que describen esas interacciones no son muy complicadas: la ley de Coulomb y cosas por el estilo (4).

Las proteínas no nos ocultan secretos. Su estructura química es sencilla y las interacciones que las pliegan se conocen desde hace mucho tiempo. Pero esta claridad nos desespera pues nos dice a gritos que está en nuestras manos calcular estructuras nativas a partir de secuencias de aminoácidos. Para terminar de animarnos, la extraordinaria eficacia de las técnicas de análisis genético nos ha proporcionado la secuencia de millones de proteínas, y sabemos que cada una de estas secuencias basta para poder calcular la forma nativa de la proteína que la contiene.

Nuestro deseo de hacerlo es grande. Pero las cosas no son tan fáciles como parecen. El fabuloso número de formas posibles para cualquier proteína y lo parecido de sus energías exige realizar un ingente número de cálculos de enorme precisión para poder identificar la forma nativa de una proteína entre todas las demás. Todavía no podemos hacerlo, salvo en algunos pocos casos de proteínas muy pequeñas. Pero habrá que poder.

Las proteínas nativas ejercen sus funciones mediante interacciones, generalmente específicas, con otras moléculas (otras proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, glúcidos, etc.). La capacidad de una proteína de reconocer a otra molécula reside en la forma y distribución electrónica de su superficie, y en su dinámica intrínseca. Y estas características las gobiernan las mismas interacciones elementales mencionadas al describir la reacción de plegamiento. Por tanto, con capacidad de cálculo infinita y disponiendo de potenciales de interacción suficientemente precisos, seremos capaces de calcular la afinidad de cualquier proteína por cualquier otra molécula que se cruce por su camino.

A decir verdad, estas cosas que deseamos calcular se pueden determinar, poco a poco y con gran esfuerzo, utilizando aproximaciones experimentales clásicas de la Biología Estructural y de la Termodinámica. ¿Será posible algún día observar simultáneamente el comportamiento individual de cada molécula de una célula viva a nivel atómico? Nunca se sabe. Pero hoy parece más próximo el día en que podamos calcular ese comportamiento que el día en que podamos observarlo.

Por otro lado, buena parte de las enfermedades se deben a defectos moleculares en proteínas concretas provocados, a menudo, por mutaciones genéticas (5). Comprender por qué una mutación determinada provoca un defecto proteico y por qué éste se traduce en una enfermedad resultará trivial si alguna vez se alcanza el escenario descrito.

Aunque no sólo de cálculo vive el hombre. El avance de las técnicas de simulación molecular depende (más de lo que nos gustaría) de poder contrastar sus resultados con los de la experimentación convencional. Por ello, ofrecer resultados concretos, precisos y simulables sobre el comportamiento de proteínas modelo resulta clave para poder guiar el desarrollo de las técnicas computacionales. Por no mencionar que no podemos esperar de brazos cruzados a que llegue el día en que seamos capaces de simular atomísticamente a una persona para poder curarle adecuadamente el sarampión. Más que nada, porque aún llevará algún tiempo.

Desplegamiento de la información genética.
Referencias:
  1. Agua es vida. J. Sancho. Rev. Real Academia de Ciencias. Zaragoza. 62: 65-72, (2007) http://www.unizar.es/acz/05Publicaciones/Revistas/Revista62/p065.pdf
  2. Estructura de Proteínas. C. Gómez-Moreno & J. Sancho (coord.) Ed. Ariel (2003)
  3. Natively unfolded proteins. Anthony L Fink. Current Opinion in Structural Biology, 15:35-41 (2005)
  4. Molecular Modeling and Simulation: An Interdisciplinary Guide. 2 ed. Tamar Schlick. Springer (2010)
  5. Loss of protein structure stability as a major causative factor in monogenic disease. Yue P, Li Z., Moult J. J Mol Biol. 2005 Oct 21;353(2):459-73.

Entrevista a Javier Sancho

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿le influyó alguien de forma especial? ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Mi vocación científica surgió pronto, confusamente entremezclada con mi afición por los libros de ovnis, extraterrestres y alquimia en los que, de vez en cuando, aparecían desquiciadas alusiones al código genético y al ion amonio. Creo que lo que me hizo desear ser científico fue la fascinación por lo desconocido y por el descubrimiento. Ser científico me pareció enseguida, además de divertido, algo importante a lo que merecía la pena dedicarse.

No recuerdo que mientras surgía mi vocación me influyera alguien de un modo especial, aunque sí recuerdo a un puñado de profesores de ciencias cuyas distintas formas de transmitir conocimiento, distinto interés por la enseñanza y distinto grado de compromiso que traslucía su pasión o falta de ella, me inclinaban, según los casos, a perseverar en mi vocación o a abandonarla. Cuando ya estaba haciendo la Tesis, mi director, C. Gómez-Moreno, me dio un consejo que él había recibido de M. Losada: «Lo perfecto es enemigo de lo bueno». Aún dudo de si lo interpreté correctamente y, lo que es peor, a veces se me olvida. En cualquier caso, el consejo me recuerda que la perfección no se consigue y que hay que alcanzar un equilibrio responsable que nos frene a la hora de publicar trabajos inmaduros pero no nos impida dar a conocer nuestros descubrimientos, incluso cuando todavía albergamos dudas sobre su exactitud.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Mi deseo inicial era ser biólogo (tirando a bioquímico), pero estudié química en Zaragoza porque mi familia no podía enviarme a estudiar a otra ciudad. Durante la carrera, mi interés se amplió a la química orgánica, y a punto estuve de dedicarme a ella. Hice la Tesis en Zaragoza, con una estancia en USA donde comprendí que una de las limitaciones de los científicos españoles es de naturaleza psicológica y consiste en una cierta falta de confianza y asertividad que nos puede situar en desventaja ante científicos de otros países que no necesariamente están mejor formados. En Atlanta, en el laboratorio de D. E. Edmondson, descubrí emocionado que los ciclos termodinámicos relacionaban cosas en apariencia diversas, tales como energías de unión y potenciales redox, lo que me escoró hacia la biofísica. La tesis doctoral me proporcionó una buena formación en purificación y caracterización molecular y funcional de proteínas, que me ha resultado muy útil.

Al terminar la Tesis, quise aprender a hacer mutagénesis dirigida, una prometedora técnica para estudiar las moléculas de proteína. Identifiqué los que me parecieron los 2 ó 3 mejores grupos del campo y, finalmente, fui a Cambridge (UK) al laboratorio del actual Sir A. R. Fersht, donde descubrí que las proteínas se plegaban y desplegaban reversiblemente, que la reacción no se comprendía apenas y que ni siquiera se sabía qué interacciones estabilizaban a las proteínas. Mi estancia postdoctoral me permitió participar en el esfuerzo pionero de aquel grupo por entender estos fenómenos. El jefe nos hacía poco caso, pero ponía a nuestra disposición todos los medios imaginables y una atmósfera de gran creatividad y excitación a la que contribuían su brillantez y la concentración de jóvenes talentosos que acudían de todo el mundo para labrarse un porvenir en ciencia.

A la vuelta a España, la labor realizada durante el periodo postdoctoral me facilitó obtener un empleo permanente en la Universidad de Zaragoza. A pesar de ser funcionario, continué trabajando y establecí un grupo de investigación dedicado a estudiar la estabilidad y el plegamiento de las proteínas, asuntos que todavía no se comprenden satisfactoriamente. El plegamiento de las proteínas me interesa esencialmente como reto científico. La relevancia que ha adquirido más recientemente para poder comprender la causa de numerosas patologías humanas le añade, sin duda, interés. Aunque he rehuido la gestión con cierto éxito, he dedicado algún esfuerzo a estimular la colaboración científica entre físicos y biólogos (al menos en Aragón).

No sé si repetiría mi trayectoria en su totalidad, pero creo que cada una de las etapas por las que pasé contribuyó de forma importante a configurar al investigador que soy. Ninguna constituyó una exploración sin fruto. Sigo sintiéndome purificador de proteínas, enzimólogo, biofísico, plegador de proteínas, buscador de fármacos y varias cosas más.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- 1-Convencimiento de que la investigación científica es vital para el progreso y supervivencia de la humanidad.

2-Deseo de triunfar.

3-Capacidad de esfuerzo.

4-Inteligencia.

5-Habilidades sociales.

Mi consejo a los jóvenes aprendices de científicos es que se escuchen honestamente y se hagan caso. Si sienten que la investigación es su camino, que lo sigan sin reservas, con entusiasmo, ambición y fe en sus posibilidades. Si no, que se dediquen a otra cosa. La vida ofrece muchas posibilidades.

P.- ¿Podría describirnos brevemente cuál es su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Me interesa comprender la relación estructural y energética que guardan las conformaciones parcialmente plegadas de las proteínas con la estructura y funciones biológicas del estado nativo y con la aparición de enfermedades conformacionales.

Para ello hemos desarrollado herramientas de análisis estructural de intermediarios de plegamiento y tratamos de desarrollar herramientas computacionales, contrastadas con experimentos «húmedos», que permitan predecir la estructura de las conformaciones mal plegadas de las proteínas sin necesidad de caracterizarlas experimentalmente.

En los últimos años, las proteínas mal plegadas han pasado de ser consideradas objetos complicados, de moderado interés (esencialmente biofísico), a ser foco de interés médico. Conscientes de ello, hemos desarrollado procedimientos experimentales de rescate conformacional de proteínas mal plegadas aplicando conceptos y técnicas elementales de estabilidad de proteínas y de interacción proteína-ligando.
Además, intuimos que la reversibilidad de la reacción de plegamiento de muchas proteínas (a veces modulada por la unión o disociación de ligandos o por cambios de pH) puede constituir una estrategia frecuente de regulación funcional. Recientemente, hemos propuesto un nuevo mecanismo de liberación de LDLs en el endosoma en el que eventos reversibles de desplegamiento del receptor de LDLs asociados a cambios en la concentración de Ca++ desempeñan un papel esencial.

Las proteínas son los agentes fundamentales de los procesos biológicos y su función está mediada por su capacidad de plegarse adoptando conformaciones definidas. Comprender cuantitativamente este proceso (muy semejante a nivel fundamental a los procesos de reconocimiento molecular) permitirá:

1- Calcular la estructura tridimensional de todas las proteínas.

2- Calcular la dinámica intrínseca de todas las proteínas.

3- Calcular todas las interacciones que pueden formar todas las proteínas.

4- Avanzar significativamente en la comprensión cuantitativa de la célula y de las relaciones intercelulares.

5- Entender las causas moleculares de la mayor parte de las enfermedades.

6- Diseñar con éxito garantizado pequeñas moléculas que solucionen buena parte de tales enfermedades y que carezcan de efectos secundarios.

¿Quién da más?

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance del siglo XX? ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado? ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- El siglo XX da mucho de sí. Dudo entre los avances que nos permiten comprender mejor el Universo (la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica) y el que nos permite comprender mejor a esa pequeña parte del mismo que más nos interesa (la Biología Molecular).

El avance que más me ha impresionado hasta ahora ha sido el de la clonación, pues sabía que era imposible.

Mi mayor sorpresa en el campo del plegamiento de las proteínas ha sido el descubrimiento de que buena parte de las proteínas naturales pueden acceder a una conformación más estable que el estado nativo: el estado agregado ordenado.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Confieso que no tengo una opinión definida sobre cómo debe articularse la carrera científica en España. Es más, aunque entiendo que el asunto tiene su importancia, no creo que deba ser el foco principal de nuestras preocupaciones. A mí me preocupa más la falta de comprensión que existe a nivel social y político de la importancia que tiene para la sociedad la investigación científica. Supongo que hay diversas maneras sensatas de articular una carrera científica, seguramente conocidas e implantadas en otros lugares, pero es dudoso que alguna de ellas consiga triunfos espectaculares en nuestro país si no conseguimos:

1-que el conjunto de la sociedad desee que haya más investigación básica, y esté preparado para asumir las lógicas consecuencias económicas (quizá habrá menos viajes baratos organizados por el Imserso, tal vez los campos de fútbol no estarán subvencionados por los ayuntamientos, puede que haya que subir los impuestos un poco más…).

2-que los estudiantes de Primaria, ESO y Bachiller reciban una enseñanza de calidad que los convenza de que la Ciencia es la clave para el progreso de la Humanidad.

3-que los políticos dediquen más esfuerzo a procurarnos un futuro mejor que a conseguir resultados favorables en las próximas elecciones.

Perfil de Javier Sancho

Javier Sancho es Catedrático en el Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular y Celular de la Universidad de Zaragoza. Inició su actividad investigadora mientras hacía la carrera, con una estancia en el laboratorio de D. E. Edmondson de la Universidad de Atlanta, lo que influyó bastante en que su carrera escorara hacia la Biofísica. Tras volver a España y terminar su tesis, quiso aprender a realizar mutagénesis dirigida, para lo que realizó una estancia de más de dos años en el laboratorio de Sir A. R. Fescht, en la Universidad de Cambridge. Allí descubrió que las proteínas se plegaban y desplegaban reversiblemente, pero la reacción apenas se comprendía, por lo que a su regreso a España, y tras obtener un puesto permanente en la Universidad de Zaragoza, estableció un grupo de investigación dedicado a estudiar la estabilidad y el plegamiento de las mismas, con el fin de comprender, entre otras cosas, la causa de numerosas patologías humanas. Javier Sancho ha publicado numerosos artículos de investigación y dirigido más de 15 tesis doctorales. En 2004 obtuvo el Premio Bruker de la Sociedad Española de Biofísica.