Nuestros científicos

Ernesto Arias Palomo

CIB Margarita Salas (CSIC), Madrid

Capturando genes en movimiento. La utilización de la crio-microscopía electrónica para estudiar la transposición del ADN.

Los transposones son fragmentos de ADN móvil que juegan un papel clave en evolución, la regulación génica y la diseminación de genes de resistencia a antibióticos. Los últimos avances en crio-microscopía electrónica están permitiendo obtener información esencial para el estudio de este proceso fundamental y para el desarrollo de nuevas herramientas biotecnológicas.

En la década de 1940, años antes de que se determinara la estructura de la doble hélice del ADN, Barbara McClintock realizó un descubrimiento sorprendente. Observó que existían fragmentos en los cromosomas que podían moverse de un lugar a otro, y determinó que este movimiento causaba cambios en la expresión genética y en el color de los granos del maíz, un organismo que llevaba estudiando desde hacía años. Desafortunadamente, McClintock se adelantó a su tiempo. La idea de que los genes no fueran entes fijos, unido posiblemente a que este descubrimiento viniera de mano de una mujer, generó tanto escepticismo que ocasionó que decidiera dejar de publicar sus descubrimientos en esta área. No fue hasta la década de los 60, cuando Jacob y Monod llegaron a conclusiones similares analizando el operón lac, que se empezó a valorar la importancia de sus descubrimientos. En 1983, treinta años después de su descubrimiento, su trabajo fue recompensado con el premio Nobel de Medicina o Fisiología por sus estudios sobre los elementos transponibles.

Desde entonces, estos elementos móviles o transposones se han encontrado en todos los reinos de la vida, en ocasiones en porcentajes sorprendentemente elevados del genoma -por ejemplo, en maíz pueden llegar a formar el 80% del material genético. Esta cantidad, sin embargo, es extremadamente variable y todavía no se comprende con precisión por qué en otros organismos, como las abejas, apenas llegan al 2-3%. En humanos, concretamente, el 45% del genoma deriva de elementos móviles. Afortunadamente, la mayoría de ellos, a ñps qie se demp,omam fósiles moleculares, se han inactivado a lo largo de la evolución. Sin embargo, algunos de ellos permanecen activos y se han visto implicados en desarrollo y plasticidad neuronal, así como en diversas enfermedades como la hemofilia, la esquizofrenia y el cáncer.

Su actividad puede modificar la expresión genética, diseminar genes de resistencia a antibióticos y virulencia, promover reorganizaciones genómicas y acelerar procesos evolutivos. De manera interesante, algunos de estos elementos han sido domesticados por la célula huésped. Uno de los ejemplos más emblemáticos son las recombinasas RAG1 y RAG2, que se cree que son antiguas transposasas que fueron incorporadas en nuestras células y donde ahora realizan los reordenamientos genéticos necesarios para producir los anticuerpos (recombinación VDJ). Otros elementos son ampliamente utilizados como herramientas biotecnológicas. Un ejemplo de esto es el transposón sleeping beauty (bella durmiente) que está mostrando un gran potencial en terapia celular.

Sin embargo, a pesar de que han pasado más de setenta años desde su descubrimiento, todavía existen muchos interrogantes acerca de cómo se regula la actividad de estos elementos. Dentro de las células, el proceso de transposición debe estar estrechamente controlado para evitar que se produzcan roturas y reordenamientos cromosómicos. Las transposasas son las enzimas responsables de reconocer los extremos del transposón y de catalizar su movimiento a otros lugares del genoma. El proceso de transposición ocurre mediante una serie de reacciones de escisión e inserción del ADN llevadas a cabo por complejos nucleoproteicos, que incluyen la transposasa, llamados transposomas. Estos ensamblados dinámicos necesitan realizar grandes cambios conformacionales para controlar que una vez que se inicie el proceso la reacción se complete de manera eficiente. Los transposomas, además, no solamente pueden adoptar diferentes conformaciones durante el proceso, sino que su composición también varía entre las distintas etapas.

Esta complejidad hace que la regulación de la transposición del ADN haya sido difícil de estudiar con detalle a nivel molecular. Desde hace años, varios grupos han utilizado la cristalografía de rayos X para estudiar la estructura de estos complejos y sus esfuerzos han permitido obtener imágenes de alta resolución de las primeras transposasas. Sin embargo, en numerosas ocasiones es difícil obtener estos complejos en grandes cantidades o son demasiado flexibles para formar cristales ordenados. Afortunadamente, la crio-microscopía electrónica permite determinar la estructura de macromoléculas sin que tengan que ser cristalizadas. En esta técnica, en concreto, una fina capa de la muestra en solución debe ser congelada rápidamente a temperatura de nitrógeno líquido (alrededor de -180 °C) para preservar su estructura y poder ser observada en el microscopio electrónico. Posteriormente se toman miles de imágenes de moléculas individuales y se procesan digitalmente para obtener la reconstrucción tridimensional de la molécula en cuestión. Una ventaja adicional, es que es posible analizar muestras flexibles y heterogéneas, e incluso obtener distintos estados de un mismo set de datos.

Durante los últimos años se han producido una gran cantidad de avances técnicos que están facilitando que se puedan adquirir y procesar datos de una manera más eficiente y determinar estructuras de máquinas macromoleculares a mayor resolución. La combinación de la crio-ME con otras metodologías punteras está facilitando la caracterización de estos enigmáticos elementos móviles con un detalle sin precedente, ayudando a entender cómo reorganizan regiones enteras del genoma o participan en la aparición de cepas multirresistentes y permitiendo desarrollar herramientas biotecnológicas nuevas y más eficientes.

Representación artística del regulador de la transposición IstB.
REFERENCIAS
  1. Craig, N.L., Craigie, R., Gellert, M., and Lambowitz, A.M. (2002). Mobile DNA II (Washington, DC: ASM Press).
  2. Dyda, F., Chandler, M., and Hickman, A.B. (2012). The emerging diversity of transpososome architectures. Q. Rev. Biophys. 45, 493–521.
  3. Hickman, A.B., and Dyda, F. (2016). DNA Transposition at Work. Chem. Rev. 116, 12758–12784.
  4. McClintock, B. (1950). The origin and behavior of mutable loci in maize. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 36, 344–355.
  5. Nakane, T., Kotecha, A., Sente, A., McMullan, G., Masiulis, S., Brown, P.M.G.E., Grigoras, I.T., Malinauskaite, L., Malinauskas, T., Miehling, J., et al. (2020). Single-particle cryo-EM at atomic resolution. Nature 1–5.
  6. Nogales, E., and Scheres, S.H.W. (2015). Cryo-EM: A Unique Tool for the Visualization of Macromolecular Complexity. Mol. Cell 58, 677–689.

Entrevista a Ernesto Arias Palomo

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Siempre he sentido una gran curiosidad por el mundo natural. Sin embargo, si tuviera que definir un momento concreto que despertase mi vocación quizá serían los últimos años de colegio, donde tuve un magnífico maestro de química que hizo que me decantara por seguir una carrera científica. Posteriormente, en el instituto y gracias también a muy buenos profesores, empecé a interesarme de manera más específica por la bioquímica y por el trabajo de investigación en el laboratorio. Es realmente notable de qué manera el trabajo de los profesores puede modelar, orientar y definir la carrera y vida de sus estudiantes. Afortunadamente, a lo largo de mis estudios he podido contar con muy buenos mentores a los que les estoy tremendamente agradecido.

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

R.- Comencé el primer ciclo de Biología en la Universidad Complutense de Madrid, y me licencié en Bioquímica por la misma Universidad. Durante los últimos años de la carrera comencé a interesarme por la biología estructural y más en concreto por la crio-microscopía electrónica, una técnica que entonces se encontraba en fases relativamente tempranas de su desarrollo, y que permite determinar la estructura y forma de las macromoléculas para así comprender mejor su funcionamiento. Asistí a diversos seminarios y en uno de ellos conocí al Prof. Óscar Llorca, un experto en el campo que acababa de volver del extranjero para establecer su grupo de investigación en España. Afortunadamente, me ofreció la posibilidad de unirme a su laboratorio, y desde el primer momento me di cuenta de que quería dedicarme a la investigación. Allí realicé la tesis doctoral estudiando la estructura y función de complejos proteicos implicados en salud humana y en el metabolismo de los ácidos nucleicos. Posteriormente, mi interés por profundizar en el uso de herramientas de biología molecular y estructural para estudiar la replicación del DNA me llevó a realizar una estancia postdoctoral en el laboratorio del Prof. James Berger de casi siete años, primero en la Universidad de Berkeley en California y después en la Universidad Johns Hopkins (Maryland). En 2017 regresé a España con un contrato Ramón y Cajal para establecer mi grupo de investigación en el CIB Margarita Salas – CSIC (Madrid), donde desde 2018 soy Científico Titular y responsable científico del servicio de microscopía electrónica.

A lo largo de todos estos años he tenido experiencias extraordinarias y otras no tan dulces, pero cada una de las etapas realizadas ha sido tremendamente enriquecedora, tanto a nivel personal como profesional, y ha contribuido a definir quien soy ahora. Repetiría todas sin ningún lugar a dudas.

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.- Quizá algunas de las más importantes sean la curiosidad, rigurosidad y perseverancia. Sin embargo, hay muchas otras como la tolerancia a la frustración, el optimismo, la creatividad, la humildad, o la capacidad de ser crítico, de aprender de los errores, de divulgar y enseñar. No creo que exista una fórmula o combinación mágica. Como cualquier otro rasgo, éstas y otras características se pueden encontrar en distinta medida en los buenos investigadores.

Relacionado con esto, un consejo que daría a los que ahora inician su carrera es que aprovechen las oportunidades que tengan para trabajar y conocer distintas áreas y grupos de investigación. Es realmente importante trabajar en algo que te apasione y poder contar con un buen mentor y compañeros que te apoyen. La carrera investigadora puede ser muy satisfactoria pero también dura y difícil. Si se decide emprenderla hay que hacerlo con mucho entusiasmo y ganas de trabajar.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX-XXI?

R.- Es una pregunta difícil de responder. La cantidad de descubrimientos científico-técnicos de los últimos dos siglos sobrepasa con creces los avances producidos en todos los anteriores. Desde la aparición de los antibióticos que han revolucionado la medicina, a los avances en aeronáutica y telecomunicaciones que han cambiado la manera en que nos movemos, nos comunicamos y buscamos información. También se han desarrollado muchos otros inventos quizá más convencionales, como el aire acondicionado, que no solo juegan un papel clave en la cadena de frío de transporte de alimentos y medicamentos, sino que junto a otras herramientas como el ascensor han transformado la configuración de las ciudades y la distribución de la población a nivel global. Si hablamos de avances científicos a nivel fundamental, aunque quizá pueda sonar un poco a cliché, diría que uno de los avances más importantes fue el descubrimiento de la estructura de la doble hélice de DNA. Es un hito de la ciencia básica que por un lado engloba la belleza y elegancia de la naturaleza y al mismo tiempo se encuentra en la base de todas las aplicaciones modernas de biología molecular, biotecnología y medicina.

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

R.- En nuestro grupo estamos interesados en entender cómo se transmite la información genética a nivel molecular. Por un lado, el material genético puede ser copiado y transferido de células madre a hijas. Este fenómeno se denomina replicación del DNA y se produce en todos los seres vivos. Las células cuentan con una maquinaria molecular muy compleja para llevar a cabo esta tarea, y comprender su funcionamiento es esencial para entender procesos como la proliferación bacteriana y el cáncer. Por otro lado, la información genética también puede ser transferida de manera horizontal entre distintas células e incluso distintos organismos. Esto no solo juega un papel importante en procesos evolutivos, sino que también produce la diseminación de toxinas y genes de resistencia a antibióticos que contribuyen a la aparición de cepas multirresistentes. Además, muchos de estos elementos móviles se emplean como herramientas biotecnológicas y están mostrando un gran potencial en terapia celular.

En nuestro laboratorio utilizamos técnicas de biología estructural, como la crio-microscopía electrónica, junto a métodos bioquímicos y funcionales para estudiar estos procesos a nivel atómico. Durante los últimos años se han producido avances científicos y técnicos asombrosos que están permitiendo analizar estos procesos con un detalle sin precedente. La combinación de estas técnicas con otras, tanto clásicas como de última generación, seguirá sin duda dando información esencial sobre estos sistemas biológicos.

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.- El sistema científico español es capaz de formar buenos investigadores, pero se enfrenta a varios desafíos. Uno de los más importantes es la escasa financiación. La inversión en I+D+i de nuestro país se sitúa actualmente en torno al 1,2% del PIB, lo que se aleja mucho de la media europea o de Alemania (2% y 3%, respectivamente) y nos sitúa más cerca de países como Polonia y Turquía. Para que nos hagamos una idea, el año pasado el gobierno destinó 362 millones de euros al programa competitivo que financia a la mayoría de laboratorios españoles, una cifra equivalente a la necesaria para la construcción de 14 km de vías de AVE.

La escasa inversión tiene importantes repercusiones a distintos niveles. Por un lado, dificulta la contratación y la continuidad de personal cualificado y disponer de equipos e instalaciones competitivas. Además, genera una presión a lo largo de las distintas etapas de las que consta la carrera científica que hace que, en el momento de establecer un grupo propio de investigación, existan muy pocas oportunidades en España si se compara con países como EEUU y otros europeos. La consecuencia más palpable es el envejecimiento de la plantilla de los institutos de investigación españoles. En 2018, por ejemplo, la edad media de los investigadores principales estables del CSIC era de 54 años, como refleja el hecho de que los tres investigadores responsables del desarrollo de la vacuna frente al covid-19 en España estén por encima de la edad de jubilación. Otra de sus consecuencias no menos preocupante es la escasa capacidad para atraer talento extranjero al sistema científico español. La ciencia es una empresa global, y los países a la cabeza no solamente lo están por disponer de más recursos sino también porque son capaces de atraer el mejor talento del extranjero.

Si queremos mejorar el sistema científico, también hay que hacer la carrera científica más atractiva y dinámica a todos los niveles (investigadores, técnicos, estudiantes, etc). Además, se necesita simplificar los trámites burocráticos. Es nuestro deber y obligación justificar debidamente el uso adecuado de los recursos cuya financiación, en última instancia, provienen de todos los ciudadanos. Sin embargo, una mayor flexibilización y optimización de las tareas de gestión agilizaría mucho el trabajo de investigación.

Perfil biográfico

Su laboratorio utiliza herramientas bioquímicas y estructurales, como la crio-microscopía electrónica, para determinar cómo las máquinas macromoleculares controlan la transferencia de la información genética y otros sistemas de interés biotecnológico.

Ernesto Arias Palomo se licenció en Bioquímica por la Universidad Complutense de Madrid (2004) y desarrolló su tesis doctoral en el Centro de Investigaciones Biológicas (2008, premio Juan Abelló I). A continuación, realizó estancia postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley (2010-2013), donde estudió las bases moleculares que regulan el inicio de la replicación del ADN (Cell, 2013). Posteriormente, se trasladó a la Universidad Johns Hopkins (2013-2017) donde analizó la estructura y función de un factor implicado en la transmisión genética horizontal (Cell, 2015). En 2017, se incorporó en el CIB Margarita Salas (CSIC), primero con un contrato Ramón y Cajal y después como Científico Titular, para establecer su grupo de investigación. Su laboratorio utiliza herramientas bioquímicas y estructurales, como la crio-microscopía electrónica, para determinar cómo las máquinas macromoleculares controlan la transferencia de la información genética y otros sistemas de interés biotecnológico (Mol Cell, 2019; Nat Commun 2020).