En biofísica, los estados cinéticos de las moléculas juegan un papel determinante en los procesos metabólicos y fisiológicos en los que intervienen. Ahora, un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) especifica por primera vez los niveles de energía, la entropía y la entalpía del plegamiento de proteínas. Para ello, el equipo utilizó un dispositivo con pinzas ópticas que permite cambiar la temperatura experimental entre 5ºC y 40ºC.

El estudio ha sido dirigido por el profesor Fèlix Ritort, de la Facultad de Física y del Instituto de Nanociencias y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB). Su primer autor es el investigador Marc Rico-Pasto (UB) y cuenta con la colaboración de equipos de la Universidad de Padua (Italia), el Instituto de Bioingeniería de Lausana (Suiza) y la empresa SpliceBio, con sede en Barcelona Parque de las Ciencias (PCB).

Pinzas ópticas para desentrañar la complejidad de la materia viva

La aparición de técnicas innovadoras como las pinzas ópticas y magnéticas ha revolucionado la investigación en biofísica y, en concreto, el estudio de las propiedades termodinámicas en macromoléculas: proteínas, ácidos nucleicos, etc. Este tipo de tecnología permite manipular moléculas individuales con precisión nanométrica (10 -9 metros) aplicando fuerzas en el rango de piconewton (10-12 newton). Por lo tanto, los investigadores pueden caracterizar las propiedades termodinámicas de biomoléculas complejas con una resolución sin precedentes. La aplicación de tales técnicas abre nuevos escenarios para los estudios experimentales en el campo de la termodinámica desde un enfoque estadístico, una interpretación de la termodinámica que hasta ahora sólo era posible desde una perspectiva teórica.

Sin embargo, estas técnicas tienen limitaciones que impiden a los investigadores diferenciar los orígenes de las fuerzas medidas. Por el momento, combinar diferentes técnicas para ampliar el número de parámetros de control es un desafío en biofísica. Eso es precisamente lo que ha hecho el equipo encargado de este estudio: introducir un monitor de temperatura en las pinzas ópticas para determinar, por primera vez, la entropía y la entalpía de plegamiento de proteínas.

Paisajes energéticos en el plegamiento de proteínas.

Durante el proceso de plegamiento de proteínas y otras macromoléculas, tienen lugar diferentes estados cinéticos entre el estado nativo y el estado desnaturalizado. Algunos ejemplos son los estados de transición, los intermedios moleculares y las estructuras mal plegadas, que tienen una naturaleza transitoria que dificulta la caracterización termodinámica en experimentos con un alto número de moléculas, del orden de 1023 moléculas, el valor conocido como el número de Avogadro, que se analizan simultaneamente. Particularmente relevantes para el plegamiento de proteínas son los estados de transición debido a su tiempo de vida extremadamente corto.

“Nuestros resultados revelan que, durante el estado de transición, la estructura esquelética de la proteína ya está construida. Sin embargo, la mayoría de las interacciones de van der Waals (fuerzas débiles) entre los residuos no se estabilizan”, señala el profesor Fèlix Ritort, miembro del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UB.

“Las conclusiones muestran que el plegamiento de proteínas se puede entender como un proceso definido por dos pasos. En el primero, la proteína alcanza el estado de transición en el que se construye la estructura esquelética nativa y se expulsa el agua del interior de la cadena polipeptídica”, continúa Ritort. “En el segundo paso, la proteína colapsa, las interacciones entre los residuos de proteína se estabilizan y la proteína alcanza el estado nativo”, concluye el investigador.

Una primera lectura de los resultados revela que existe un cambio de entalpía y entropía durante el estado de transición correspondiente al 20% aproximadamente del total medido en el plegamiento. “Este fenómeno demuestra que la estructura del esqueleto proteico requiere un 20% de las interacciones entre residuos. La lectura que hacemos del plegamiento de proteínas va en la línea de las hipótesis más recientes en el campo del plegamiento de proteínas”, apunta Marc Rico-Pasto, también miembro del Departamento de Física de la Materia Condensada.

A pesar de haber afirmado que la estructura esquelética de la proteína se construye durante el estado de transición, los autores dicen que no pueden concluir la cantidad de interacciones nativas que existen en este estado. “Podemos hacer una primera estimación -dicen-, pero cuantificar este resultado requiere alguna variable experimental que nos permita medir o identificar el número de enlaces construidos durante el plegamiento molecular en tiempo real”.

El equipo liderado por el profesor Fèlix Ritort, jefe del Laboratorio de Pequeños Biosistemas de la Facultad de Física, realizó importantes contribuciones al estudio de las propiedades termodinámicas de sistemas complejos en biomoléculas. En estudios anteriores, el equipo utilizó el modelo de la proteína barnasa, una biomolécula globular secretada por Bacillus amyloliquefaciens, separada por un estado de transición. La barnasa, que no muestra estados intermedios con un tiempo de vida superior a un milisegundo durante el plegamiento, es también el modelo de referencia para el método de caracterización de estados de transición durante el proceso de plegamiento de proteínas (análisis de valor phi).