Las proteínas son los pesos pesados ​​de la bioquímica. Estas moléculas robustas actúan como bloques de construcción, receptores, procesadores, mensajeros y catalizadores. « Las proteínas son las máquinas moleculares que alimentan toda la vida en la Tierra », explicó Mark Sherwin, profesor de física en UC Santa Barbara. Naturalmente, los científicos han dedicado mucha investigación a comprender y manipular las proteínas.

Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara, incluido Sherwin, ha logrado avances para abordar uno de los grandes desafíos de la ciencia moderna : registrar proteínas en movimiento en un entorno real. Los autores discuten su técnica en Angewandte Chemie, una revista de la Sociedad Química Alemana. El enfoque podría revolucionar nuestra comprensión de cómo las proteínas hacen su trabajo y guiar el diseño de proteínas para propósitos específicos.

Un reto abrumador

Comprender la función de una proteína requiere más que simplemente una lista de sus partes. Para estas moléculas, la forma engendra la función. Los científicos han logrado un enorme progreso en los últimos 20 años al descifrar las formas de las proteínas en función de los bloques de construcción de aminoácidos que las forman.

Sin embargo, incluso ver la forma de una máquina a menudo no es suficiente para comprender cómo funciona. « Imagina que eres un extraterrestre y ves la imagen de una máquina de coser », dijo Sherwin. « Te resultaría difícil descubrir lo que hace. Pero si vieras una película, tendrías una idea mucho mejor ».

Desafortunadamente, esta es una tarea difícil para las proteínas. Aunque son moléculas relativamente grandes, las proteínas todavía tienen un tamaño de unos pocos nanómetros, 100 veces más pequeñas de lo que podemos resolver incluso con los microscopios ópticos más potentes. Y existen en entornos húmedos y blandos que no son propicios para la cinematografía.

« Uno de los mayores desafíos de la biología en general es ver las proteínas en acción », explicó el coautor principal Shiny Maity, estudiante de doctorado en química. Es mucho más fácil para los científicos observar la estructura de las proteínas cuando están congeladas. Verlos moverse requiere una técnica como la animación stop-motion : iniciar la acción, congelar la proteína, capturar una imagen, repetir. Esto suele ser prohibitivamente difícil tanto para movimientos rápidos como lentos. Además de eso, la congelación rápida de la proteína puede afectar su estructura.

« El objetivo que tenemos es eliminar por completo el aspecto de congelación y observar el movimiento de la proteína en un entorno tan parecido a la vida como podamos », dijo el coautor principal Brad Price, estudiante graduado de física.

Una técnica compleja

Este artículo demuestra un nuevo método para rastrear el movimiento de las proteínas en un entorno real después de que su movimiento haya sido desencadenado por un evento externo (en este caso, un pulso de luz visible). Los autores denominan a la técnica TiGGER, por Resonancia paramagnética electrónica de gadolinio-gadolinio resuelta en el tiempo. Es elaborado y requiere fenómenos cuánticos, química experta, equipo especializado y bioingeniería.

TiGGER implica etiquetar dos puntos en la proteína y rastrear la distancia entre estas etiquetas a medida que la proteína se despliega y repliega. La estrella del espectáculo es un átomo o ión de gadolinio cargado. Sus electrones se alinean de tal manera que el ion se comporta como un pequeño imán. Si lo coloca en un campo magnético fuerte, se alineará con o contra el campo externo y comenzará a tambalearse.

Los científicos colocan el gadolinio en una jaula molecular para estabilizarlo y agregan un andamiaje químico para vincularlo con la proteína. Pero esos bits solo se vinculan a un tipo de aminoácido, la cisteína. Así que el equipo tuvo que cambiar los aminoácidos que querían etiquetar en cisteínas sin afectar la función general de la proteína. Fue una tarea que se hizo aún más complicada por una cisteína en el centro de la proteína que es fundamental para su función.

« La etiqueta giratoria se elige de manera muy estratégica », dijo Maity. « Es lo suficientemente grande como para no entrar en el núcleo de la proteína, donde se encuentra la cisteína funcional. Pero tampoco es tan grande como para alterar la forma natural de la proteína ».

El bamboleo, o « precesión », del ión de gadolinio está influenciado por la proximidad de la otra etiqueta, que tiene su propio ión de gadolinio que se tambalea y genera su propio pequeño campo magnético. Esta precesión cambia según lo cerca que estén las dos etiquetas entre sí. Mida este bamboleo y podrá obtener la distancia.

Esto es precisamente lo que hicieron los autores utilizando un láser con luz a energías ligeramente superiores a las de un horno de microondas. Cuando la frecuencia de estas ondas sub-Terahertz y la precesión del ion coinciden, las ondas son absorbidas. Luego, los científicos midieron esta absorción para detectar pequeños cambios en la precesión del gadolinio. Si la cantidad de absorción cambia con el tiempo, eso significa que las etiquetas se están moviendo.

Agregue un poco más de matemáticas, y los autores podrían incluso decirle qué tan separadas están las etiquetas entre sí. « Sabemos que podemos obtener la distancia en función del tiempo, pero requerirá más desarrollo », dijo Price.

Una proteína iluminadora

Los autores seleccionaron una proteína popular y versátil para desarrollar TiGGER. Su modelo pertenece a la familia de proteínas sensibles a la luz, al oxígeno o al voltaje (LOV), específicamente una proteína activada por la luz llamada AsLOV2. « Las proteínas LOV controlan procesos que van desde los ritmos circadianos en bacterias, plantas y hongos hasta el fototropismo en plantas y microorganismos », dijo el coautor Max Wilson, profesor asistente en el Departamento de Biología Molecular, Celular y del Desarrollo. « En resumen, están íntimamente conectados con la detección de luz ».

Esta propiedad hace que AsLOV2 sea popular entre científicos e ingenieros y sea fácil de manipular. « Es interesante y un caso de prueba perfecto », dijo Price, « una situación de lo mejor de ambos mundos ».

Las proteínas LOV permiten a los científicos utilizar la luz como « control remoto » para una gran cantidad de procesos moleculares en las células. « Lo usamos para controlar la diferenciación de células madre, la unión de anticuerpos, el endurecimiento y la relajación de las proteínas de la matriz extracelular y la activación de las vías de señalización celular », dijo Wilson.

El profesor asistente Arnab Mukherjee, del departamento de ingeniería química, usa proteínas LOV para rastrear procesos bioquímicos en células vivas usando fluorescencia, como un resaltador bajo una luz negra. « A diferencia de las proteínas fluorescentes convencionales, las proteínas LOV funcionan mediante un mecanismo distinto que hace que su ‘brillo’ sea visible incluso en condiciones sin oxígeno », explicó. Esto ofrece una herramienta para estudiar los microbios que viven en entornos anaeróbicos, como el intestino humano.

Pero es complicado diseñar estas proteínas para que hagan lo que los investigadores quieren. Aquí es donde TiGGER resulta útil. Si científicos como Wilson y Mukherjee pueden ver las proteínas en movimiento, podrían ser más deliberados en sus procesos de diseño.

Un ojo hacia el futuro

Los autores principales Sherwin y Songi Han, profesor de química, comenzaron su búsqueda para filmar proteínas en 2006, sin embargo, aún es pronto para TiGGER. En este momento, la técnica puede producir una trayectoria unidimensional del movimiento de una proteína entre dos puntos. Pero su verdadero poder proviene de repetir la técnica en varios sitios diferentes. Esto permite a los científicos reconstruir el movimiento de la proteína como un todo. Luego pueden mapear este movimiento en un modelo de la proteína para crear una película de manera similar a la animación CGI que da vida a nuestros personajes de dibujos animados favoritos.

Los autores se centran en optimizar la técnica antes de invertir el tiempo en aplicarla a otros sitios en AsLOV2. Están trabajando para aumentar la relación señal-ruido y aumentar la velocidad de muestreo de sus instrumentos. El equipo también espera ralentizar el movimiento aleatorio de las proteínas mientras están suspendidas en la solución, lo que debería permitirles capturar imágenes más nítidas de lo que pueden ahora.

Mientras tanto, Price y Maity están usando TiGGER para responder algunas preguntas básicas sobre AsLOV2. Por ejemplo, ¿por qué la proteína se despliega 1000 veces más rápido de lo que se repliega? ¿Y cómo las mutaciones que se sabe que afectan el replegamiento afectan el desdoblamiento? También están investigando cómo las condiciones más cálidas afectan la función de la proteína. Los resultados podrían arrojar luz sobre cómo la avena, la fuente de AsLOV2, responderá al cambio climático.

Eventualmente, TiGGER se puede traducir a todo tipo de otras proteínas, siempre que los científicos puedan modificar los sitios de interés en aminoácidos de cisteína sin afectar la función de la proteína. « Los biofísicos se han esforzado por ‘filmar’ las proteínas en movimiento para obtener una comprensión profunda de sus funciones biológicas », dijo Maity. « TiGGER tiene el potencial para hacer realidad este sueño ».