Nuestros científicos

Milagros Medina

Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI), Universidad de Zaragoza

La fascinante versatilidad de las flavoproteínas y flavoenzimas

Los cofactores flavínicos confieren a las flavoproteínas y flavoenzimas una gran versatilidad para participar en procesos fisiológicos muy diversos, donde generalmente actúan en procesos redox o como sensores y señalizadores. Sus características únicas las convierten en excelentes biocatalizadores, así como en dianas para el desarrollo de antimicrobianos o el tratamiento de enfermedades causadas por mutaciones en sus secuencias.

Las flavoproteínas son proteínas que contienen como cofactores moléculas de mononucleótido de flavina (FMN) y/o dinucleótido de flavina y adenina (FAD). Tanto FMN como FAD son derivados de la Riboflavina, un compuesto que en mamíferos es una vitamina, la Vitamina B2. Estos cofactores tienen como centro reactivo un anillo de isoaloxazina, con excepcionales propiedades, que puede presentarse en tres estados de oxidación, siendo capaz de intercambiar electrones y protones con otras moléculas y excitarse por absorción de la radiación visible. Cuando este anillo, en forma de FMN o FAD, se integra en los entornos específicos de las distintas proteínas a las que se une, proporciona un enorme abanico de propiedades, permitiendo a las células utilizar un único cofactor para generar una gran variedad de flavoproteínas que van a intervenir en procesos biológicos de muy diversa índole y reactividad química.

El universo de las flavoproteínas se estima actualmente en torno a 400 miembros con diferentes funciones. No obstante, cada especie solo contiene entre 70 y 140 flavoproteínas, por tanto, el contenido es altamente especie-específico. La mayor parte de estas flavoproteínas actúan como enzimas, flavoenzimas, generalmente de tipo oxidoreductasa, donde el anillo de isoaloxacina cataliza procesos de transporte de electrones. Así, el flavoproteoma de cada especie proporciona un importante conjunto de biocatalizadores versátiles y diversos, que desempeñan una gran variedad de funciones fundamentales de mantenimiento en sistemas biológicos, contribuyen a mantener y construir las estructuras celulares, transformar la energía celular durante la fotosíntesis o la respiración celular, descomponer toxinas o transformar todo tipo de metabolitos. Además, su función va mucho más allá de la acción en procesos de transferencia de electrones. Así, algunas de ellas son capaces de actuar como moléculas sensoras y señalizadoras, que detectan cambios en el estado redox, la concentración de metabolitos o las condiciones lumínicas del medio celular, y como consecuencia, desencadenan eventos celulares variados que van desde la muerte celular programada, el control de determinados ritmos circadianos o la reparación de otras biomoléculas en todo tipo de organismos.

La investigación en flavoenzimas de bacterias y hongos es de gran relevancia, porque la mayoría de sus flavoproteomas apenas han sido estudiados y podrían contener funciones todavía no conocidas. Considerando la selectividad, eficiencia y gran variedad de funciones que realizan las flavoenzimas en estas especies, incluyendo las ya descritas, las que están todavía por ser identificadas y caracterizadas, o las potenciales variantes evolucionadas en el laboratorio, estas biomoléculas podrían ser ampliamente explotadas como potentes biocatalizadores. Así mismo, dado el contenido especie- específico de las flavoproteínas y flavoenzimas en bacterias, que en muchos casos no presentan homólogos en otras especies, en particular en organismos eucariotas, muchas de ellas se presentan como prometedoras dianas para el desarrollo de antimicrobianos en el tratamiento de enfermedades infeccionas causadas por microorganismos patógenos en agricultura, ganadería o salud humana.

La situación es también muy atractiva al trasladarnos a organismos superiores. Por ejemplo, las células del cuerpo humano contienen unas 90 flavoproteínas, de las cuales más de 80 son flavoenzimas. En cualquier proteína, la cadena de aminoácidos adquiere una conformación de la cual depende su función biológica. En el caso de flavoproteínas esto también determina la afinidad por el cofactor flavínico y las propiedades específicas de este en cada proteína particular. Si se produce un error o una variación, lo que llamamos una mutación, que afecte a un aminoácido clave para el reconocimiento de otra biomolécula, encontraremos alteradas las funciones celulares que dependan de dicha interacción, y si impide que la proteína adquiera su conformación activa, esta no podrá realizar su función. En el caso de las flavoenzimas, si la mutación tiene lugar en el centro activo o afecta a la unión del cofactor flavínico se alterará de forma aberrante su actividad. A fecha de hoy, sabemos que de las 80 flavoenzimas presentes en las células humanas, mutaciones en los genes que codifican para al menos 50 de ellas son la causa de alguna patología. Estas mutaciones aberrantes pueden alterar la actividad, estabilidad o interacción de estas flavoproteínas con otras biomoléculas, y, en consecuencia, múltiples aspectos de la homeostasis y las funciones celulares, que en muchos casos tienen un efecto letal en el organismo. En la mayoría de los casos, las patologías causadas por el malfuncionamiento de flavoproteínas y flavoenzimas resultan complejas de diagnosticar a nivel molecular, y por tanto de tratar desde su origen. Esto se debe a que en general, estas moléculas actúan en redes complejas de biomoléculas y eventos celulares. Por ello, es de gran importancia identificar las bases moleculares de las enfermedades causadas por un mal-funcionamiento de las flavoenzimas, con objeto de evaluar el potencial de estas moléculas como dianas para el desarrollo de terapias personalizadas.

En este contexto, la comprensión de los mecanismos moleculares de flavoenzimas con funciones metabólicas clave en bacterias, parásitos, plantas o animales, es de gran relevancia para explotar su potencial en diversas áreas de la biotecnología o la biomedicina.

Versatilidad funcional del anillo de isoaloxazina en diversos entornos proteicos.
REFERENCIAS
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  4. Lienhart, W. D., V. Gudipati and P. Macheroux (2013). «The human flavoproteome.» Arch Biochem Biophys 535(2): 150-162.
  5. Macheroux, P., B. Kappes and S. E. Ealick (2011). «Flavogenomics-a genomic and structural view of flavin-dependent proteins.» Febs J 278(15): 2625-2634.
  6. Walsh, C. T. and T. A. Wencewicz (2013). «Flavoenzymes: versatile catalysts in biosynthetic pathways.» Nat Prod Rep 30(1): 175-200.
  7. Wegrzyn, A. B., S. Stolle, R. A. Rienksma, V. A. P. Martins Dos Santos, B. M. Bakker and M. Suarez-Diez (2019). «Cofactors revisited – Predicting the impact of flavoprotein-related diseases on a genome scale.» Biochim Biophys      Acta Mol Basis Dis 1865(2): 360-370.

Entrevista a Milagros Medina

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Me resulta difícil concretar “el momento” en que surgió mi vocación científica. Desde muy pequeña me resultaron más interesantes y estimulantes aquellas materias que implicaban procesos deductivos, mi paso por el instituto también suscitó interés por la Química y en la etapa preuniversitaria creía que mi futuro estaría en la arqueología, que también se basa en el método científico. Unas desafortunadas circunstancias personales cancelaron mis posibilidades de estudiar en otra ciudad y decidieron por mí. Así, licencié en Química, especialidad Orgánica, donde ya la Bioquímica y la Biofísica me conquistaron. La vida es caprichosa, y si bien al finalizar la carrera universitaria la investigación en Academia era una posibilidad en mi horizonte, cualquier otra cosa podría haber ocurrido. De hecho, solicité una beca para realizar la tesis doctoral que no me fue concedida, pero sí obtuve una beca de la Fundación Empresa Pública que me llevó al Departamento de Investigación y Desarrollo de una empresa pública de gas natural. Como se puede ver, un campo muy diferente de aquel en que posteriormente he desarrollado el resto de mi carrera. En ese tiempo, se me volvió a presentar la posibilidad de solicitar otra beca predoctoral, yo encantada, y esta vez, sí, la conseguí y desde entonces he convivido diariamente con la investigación científica. No sé qué hubiera ocurrido caso de haber estudiado Arqueología o haber acabado en el mundo de la empresa, pero estoy casi segura que estaría en una posición similar a la que tengo actualmente, tal vez en otra rama o tipo de investigación, pero cerca de ella.

P.-¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- En nuestro entorno científico hay investigadores con características muy diversas, pero evidentemente la curiosidad científica, la ilusión, la constancia, la perseverancia y el espíritu autocrítico acompañan a aquellos que avanzan en una carrera científica. La investigación se basa en el método científico, donde establecemos una hipótesis, proponemos unos ensayos para probarla y luego evaluamos si los resultados concuerdan con la hipótesis. Es una continua sucesión de éxitos y fracasos, donde en algunos casos las hipótesis son avaladas por los resultados, pero en la mayoría nos hacen replantearnos una nueva hipótesis y volver al principio. Por lo tanto, hay que estar preparados para todo tipo de baches. Además, la investigación tiene un importante componente social y en muchos campos es imposible investigar de forma aislada e individual. Por tanto, las actitudes colaborativas, solidarias, o empáticas son también útiles para permitir establecer redes y contactos científicos que siempre funcionan mejor en ámbitos distendidos. No obstante, estas no son imprescindibles, y para muy buenos investigadores no es algo importante, igual por eso son buenos investigadores. Finalmente, creo que ser inteligente y listo es también fundamental. Esto no significa que solo aquellos que fueran buenos estudiantes serán buenos científicos, no. Estas dos características te permiten tener buenas ideas, evaluar tu entorno y saber por dónde moverte y dirigir tu línea de investigación de forma eficiente en cada momento, así como tener claro el número de objetivos que puedes abordar en cada momento para no dispersarte. Esto último es en muchos casos difícil, hay tantas cosas interesantes que comprender.

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

R.- Lo más importante en mi opinión es que mantengan la ilusión por lo que estén haciendo, que sean perseverantes, y que tengan necesidad y curiosidad por seguir aprendiendo siempre. Si han iniciado su carrera por una temática que les encanta, estupendo, que lo aprovechen y busquen todas las posibilidades de seguir adelante. Si ven que su contacto inicial con la ciencia no es lo que pensaban, no hay problema, vivimos en la sociedad de la multidisciplinariedad, el futuro te va a permitir probar otras áreas, temáticas o metodologías, y además esto te va a convertir en un científico más completo y con una visión más general. La carrera científica es muy larga, y es una continua etapa formativa, desde del día que te incorporas a un laboratorio como estudiante de últimos cursos hasta el final de tu vida profesional. Así, tras la realización de su tesis doctoral, el primer peldaño, les aconsejaría que no se acomoden, que varíen de temática y aprendan nuevas técnicas, esto les facilitará notablemente seguir creciendo científicamente. También les aconsejaría que no se desanimen, vivimos en un mundo donde casi nada es perfecto, pero hay que buscarse las posibilidades, moverse y estar abiertos a dar algún paso atrás para coger carrerilla hacia adelante. ¿Tienen la posibilidad de elegir? La realidad es que sí, pero han de tener claro que tendrán que elegir entre las posibilidades que en cada momento se les vayan presentando, pero que ellos también pueden y deben contribuir a modelar ese universo finito de posibilidades. Les aconsejaría hicieran una vista retrospectiva; es verdad que la situación de la ciencia en nuestro país dista de ser la mejor del mundo, pero es mucho mejor que hace 50 o 30 años, y para que siga mejorando los necesitamos a ellos.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Investigo en sistemas biológicos dependientes de flavoenzimas en humanos, mamíferos, plantas o bacterias que resultan fundamentales en el metabolismo energético de estos organismos (transformaciones redox, biosíntesis de cofactores y compuestos de interés, biodegradación) y en la señalización celular, y que además presentan rasgos que las convierten en elementos de interés en los distintos ámbitos de la biotecnología (procesos, sanitaria, medioambiental, alimentaria…). Mi motivación parte de la necesidad de comprender los mecanismos moleculares de flavoenzimas con funciones metabólicas clave en bacterias, parásitos, plantas o animales, con el fin de explotar su potencial biotecnológico y biomédico. Para ello, necesitamos comprender las claves de su estabilidad y sus mecanismos de acción en el metabolismo celular, así como sus características diferenciales en cada especie. Por eso, me interesa estudiar de forma comparativa la estabilidad y la relación estructura-función de diversas flavoproteínas, atendiendo particularmente a las características que las diferencian de sus homólogos en otras especies y a los factores que determinan su mecanismo, efectividad y estabilidad, lo cual las puede convertir en dianas terapéuticas o herramientas biotecnológicas versátiles y específicas. Mis líneas de investigación actuales se centran en la comprensión del funcionamiento a nivel molecular de flavoproteínas y flavoenzimas que participan en; i) la viabilidad de diversas bacterias (algunas patógenas), ii) la transformación de metabolitos, iii) la producción de energía, y iv) los procesos de muerte celular programada y desarrollo celular en mamíferos. Para ello aplicamos una combinación interdisciplinar de herramientas de bioquímica, biofísica, bioinformática y biología computacional con el fin de comprender los mecanismos y factores que aportan versatilidad a estos sistemas dependientes de flavoenzimas.

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Bueno, me sigo impresionando todos los días, pero voy a poner un ejemplo cercano a mi ámbito de investigación. Una de las cosas que más me impresionó fue pasar de pensar en mis flavoenzimas como un líquido amarillo o naranja con un espectro de absorción característico que concordaba con ese color, a visualizarlas en la pantalla del ordenador como una distribución de átomos ordenada en el espacio que era fundamental para que realizara su función. Hoy en día esto nos parece lo más normal del mundo, pero en los años 80, nos cambiaba el modo de entender el funcionamiento de las enzimas, y abría muchas otras preguntas e hipótesis en nuestra investigación. En las últimas décadas, pasar de visualizar “tu enzima” a poder simular su dinámica, cómo interacciona con otras moléculas o cómo se rompen y se forman enlaces durante su acción ha sido otro de los avances que también me ha impresionado en gran medida. Y, finalmente, tras darle tanta importancia al hecho que una estructura ordenada era fundamental para que una proteína realizase su función, en los últimos años me ha fascinado el hecho de que muchas proteínas y regiones de proteínas solo adquieran una o varias conformaciones definidas cuando interaccionan con otras biomoléculas. Esto confiere a una única secuencia de aminoácidos varias conformaciones y funciones, aumentando su versatilidad.

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

R.- Como investigadora y profesora universitaria que vive y trabaja en España me considero una persona privilegiada, y estoy muy contenta de las tres cosas. No obstante, hay que ser realista, desarrollar una carrera científica en nuestro país es un largo camino plagado de múltiples obstáculos y brechas, y en mi opinión estamos todavía lejos de poder decir que tenemos una carrera científica articulada. Muchos jóvenes investigadores la afrontan con gran vocación y la ilusión de la juventud, y esto nos permite seguir formando una importante cantidad de doctores con fondos públicos. Pero aquí es donde en mi opinión tenemos un importante problema ¿qué pasa luego con ellos? Afortunadamente en los últimos 20 años las empresas e industrias españolas se han hecho conscientes de la importancia de la investigación aplicada y el desarrollo para generar nuevos y mejores productos, permitiendo que un importante número de ellos sea transferido al sector empresarial, esta parte es muy positiva. Pero, ¿Qué ocurre en la investigación pública? Como llevamos haciendo décadas, la mayor parte de los doctores interesados en continuar una carrera científica realizan una estancia postdoctoral en el extranjero. Una excelente y en mi opinión más que recomendable opción, que permite ampliar horizontes científicos y humanos. El problema es que estas estancias, que en mis tiempos duraban dos o tres años, se están alargando considerablemente en el tiempo, 5-10 años, y que esto en muchos casos ocurre porque el retorno a España es muy complicado. En muchos casos muchos optan por establecerse en otros países donde se les ofrece dicha posibilidad y no retornan. Si nos comparamos con otros países, en España apenas existen puestos postdoctorales. Además, las opciones de retorno incluyen un porcentaje muy pequeño de plazas en programas de excelencia, que se han obtenido tras dedicar unos años de vida muy productivos (entre los 30-40) a la ciencia para beneficio de otro país. Formamos bien muchos científicos, pero los exportamos y no obtenemos el retorno de esa inversión. Para aquellos pocos que consiguen el retorno, aún quedan largos años, muchos esfuerzos científicos, y muchas trabas administrativas y burocráticas, que además van a depender del organismo público al que han retornado, para llegar a la estabilización. En este contexto, creo que para una mejor articulación de la carrera científica en España deberíamos dedicar más inversión a la incorporación en nuestras instituciones públicas de un mayor número de jóvenes doctores, tras periodos más cortos de formación posdoctoral en otros países, y proporcionarles además medios materiales para su desarrollo científico y expectativas de estabilización a corto plazo.

Perfil biográfico

Ha publicado más de 160 artículos científicos, y sus investigaciones han contribuido a una mejor comprensión de la versatilidad de flavoenzimas como eficientes y sofisticados instrumentos moleculares que utilizan el reconocimiento molecular para regular los procesos celulares.

Milagros Medina (Zaragoza, 1964) estudió Química Orgánica (Universidad de Zaragoza, UNIZAR). Su interés por las biomoléculas la llevó a doctorarse investigando flavoproteínas de la cadena fotosintética de electrones con el Prof. Carlos Gómez-Moreno (1992). Le fascinó la versatilidad de las flavoenzimas, y decidió explorar sus mecanismos de acción usando métodos biofísicos. Se especializó en las técnicas de cinéticas rápidas con el Prof. Gordon Tollin (1991-1992, University of Arizona, EEUU) y de resonancia paramagnética electrónica con el Prof. Richard Cammack (1993-1994, King´s College London, UK). Regresó a UNIZAR como Contratada Reincorporación-MEC (1995), promocionó a Profesora Titular (1998), y desde 2011 es Catedrática de Bioquímica y Biología Molecular. Es investigadora, y actualmente subdirectora, del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos. Ha publicado más de 160 artículos científicos, y sus investigaciones han contribuido a una mejor comprensión de la versatilidad de flavoenzimas como eficientes y sofisticados instrumentos moleculares que utilizan el reconocimiento molecular para regular los procesos celulares, y de las bases moleculares que llevan a algunas variantes alélicas a causar patologías en humanos.