Se está escribiendo un nuevo capítulo en la historia de la bioquímica con la aparición del diseño de proteínas a medida. Laboratorios de todo el mundo están explorando nuevos conjuntos de aminoácidos, ampliando considerablemente el campo de posibilidades para crear tratamientos médicos específicos. Sin embargo, este avance plantea muchas preguntas sobre nuestra capacidad para comprender las estructuras de las proteínas a nivel atómico. Para afrontar este desafío, los científicos están recurriendo a herramientas de análisis de última generación, como la dispersión de neutrones, que bien puede ser la clave para importantes avances en medicina y biotecnología.
Dispersión de neutrones: una herramienta esencial para el diseño de proteínas
El bioquímico David Baker, recientemente galardonado con el Premio Nobel de Química, utilizó el reactor de alto flujo de isótopos (HFIR) del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) para obtener información crítica sobre las proteínas que diseña. El HFIR, fuente de neutrones más poderosa de Estados Unidos, ofrece capacidades únicas para el estudio de estructuras moleculares.
En 2018, David Baker diseñó una proteína que podría unirse a la amantadina, un fármaco utilizado para tratar la enfermedad de Parkinson. Esta proteína fijadora de amantadina (ABP) podría servir como interruptor de control en terapias anticancerígenas dirigidas. Sin embargo, faltaba información esencial para confirmar la estructura y función completas de la proteína ensamblada.
El instrumento HFIR IMAGINE proporcionó el elemento faltante mediante dispersión de neutrones. Esta técnica permitió a Baker y su equipo visualizar átomos de hidrógenouna capacidad que ninguna otra técnica de búsqueda puede ofrecer.
«La mayoría de la gente no comprende realmente la importancia de los neutrones. En este caso particular, el experimento de neutrones realizado fue fundamental porque era necesario localizar los átomos de hidrógeno. Los neutrones tienen la particularidad de poder sondear muestras o proteínas delicadas sin destruirlas y nos permiten encontrar átomos de hidrógeno. Con los avances en el diseño y la ingeniería de proteínas, las posiciones de los átomos de hidrógeno seguirán siendo críticas para su funcionamiento.» explicó Dean Myles, científico de I+D de ORNL.
El futuro de la biología estructural computacional
En un taller de junio organizado por la Rama de Ciencias de Neutrones de ORNL, Linna An, investigadora postdoctoral senior en el laboratorio de Baker, presentó la visión del equipo para el futuro de la biología estructural computacional y sus impactos en el área. Diseño de enzimas es el próximo objetivo del equipo.
Linna An enfatizó:La información sobre la transferencia de protones es absolutamente necesaria para diseñar enzimas, y la dispersión de neutrones es una de las tecnologías clave para proporcionarnos esta información.»
El bioquímico recibió el Premio Nobel de Química de este año por su trabajo sobre las proteínas, compuestas principalmente por 20 aminoácidos. La mayoría de las proteínas naturales se crean a partir de una combinación de estos 20 aminoácidos. En principio, existe un número ilimitado de estas combinaciones y toda la naturaleza utiliza menos del 0,1% de las combinaciones posibles. El grupo de Baker trabaja en el 99,9% restante.
Múltiples aplicaciones para el diseño de proteínas.
La capacidad de diseñar proteínas también abre las puertas a una variedad de otras aplicaciones, como el desarrollo simplificado de vacunas, una industria química más ecológica y nuevos nanomateriales. Dado que la mayoría de las enzimas son proteínas, el trabajo de Baker también puede ayudar a mejorar todo, desde el diseño de fármacos hasta la producción de biocombustibles y la descomposición de los plásticos.
El director de ORNL, Stephen Streiffer, dijo: “La biología ofrece enormes oportunidades para avances y nuevas tecnologías que salvan vidas, posibles en gran parte gracias a poderosas herramientas de investigación como HFIR. Es gratificante ver que esta capacidad fundamental de ORNL, la dispersión de neutrones, que a su vez ganó un Premio Nobel de Física, contribuya al trabajo de los nuevos premios Nobel. También habla del papel esencial y duradero de HFIR a lo largo de las décadas. Los investigadores a la vanguardia de la innovación pueden acudir a HFIR en busca de respuestas.»
David Baker se basa principalmente en la informática avanzada para el diseño de estructuras de proteínas. Desde principios de la década de 2000, con la ayuda de su equipo de investigación con sede en la Universidad de Washington, ha creado una base de datos que hoy incluye más de 200.000 estructuras de proteínas que utiliza para crear nuevas proteínas que ayuden a desarrollar nuevos fármacos.
Leyenda de la ilustración: El bioquímico y premio Nobel David Baker llegó al Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 2019 para utilizar el instrumento IMAGINE en el reactor de isótopos de alto flujo para ver átomos de hidrógeno en la estructura de una proteína que diseñó.
Artículo : « Diseño de novo de una proteína homotrimérica fijadora de amantadina » – DOI: 10.7554/eLife.47839
