Los científicos de Johns Hopkins Medicine informan que han investigado la estructura atómica de las proteínas para agregar evidencia de que las oscilaciones, sacudidas y estremecimientos de las proteínas juegan un papel fundamental en su capacidad para funcionar. Los hallazgos de la investigación pueden ayudar a los científicos a diseñar nuevos medicamentos que puedan modificar o interrumpir los intrincados «bailes» de las proteínas para alterar sus funciones.
Los resultados de los experimentos de los investigadores se publicarán en la edición del 15 de julio de Avances de la ciencia.
Las proteínas son compuestos orgánicos con planos que se encuentran en el ADN y que funcionan como los «fines comerciales» de la biología, constituyendo los componentes estructurales de los tejidos, junto con las enzimas, que orquestan los cambios químicos dentro de las células.
Aunque se sabe desde hace tiempo que las proteínas se contonean y se mueven, los científicos han debatido la importancia de este acto de «baile», dice Dominique Frueh, Ph.D., profesora asociada de biofísica y química biofísica en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins. «La forma en que las proteínas interactúan con la pareja adecuada en el momento adecuado, esencialmente, cómo se comunican, es muy importante para comprender su función», dice, «y hemos descubierto que los movimientos de las proteínas son fundamentales para esta comunicación».
En un intento por profundizar en esa comprensión, el equipo de Frueh estudió la acción de movimiento de la proteína HMWP2, un tipo de enzima llamada péptido sintetasa no ribosómico. Estas enzimas están formadas por varios dominios, o regiones distintas, que funcionan juntas como una línea de montaje para fabricar productos naturales complejos a partir de pequeñas sustancias químicas.
Estos productos naturales suelen tener propiedades farmacéuticas, como la bacitracina, que se encuentra en los ungüentos antibióticos tópicos. En el caso de HMWP2, su producto es la yersiniabactina, una molécula que secuestra moléculas de hierro para bacterias, entre ellas Escherichia coli, que se encuentra en las infecciones del tracto urinario, y Yersinia pestis, la bacteria que causa la peste bubónica.
Frueh dice que comprender cómo funcionan juntos los dominios de las proteínas podría permitir a los científicos modificar los dominios para que produzcan nuevos productos químicos.
En general, el equipo descubrió que el movimiento generalizado de un dominio en la enzima HMWP2 inicia un proceso que permite que el dominio se conecte con varios dominios asociados al mismo tiempo.
Para determinar la importancia del movimiento de las proteínas, los científicos rastrearon el movimiento de uno de los dominios de HMWP2 hasta cada átomo individual en la molécula usando espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN), un dispositivo que usa campos magnéticos poderosos para sondear los ambientes moleculares de los núcleos dentro el centro de los átomos.
Aunque la RMN a menudo se usa para determinar estructuras de proteínas pequeñas, es difícil rastrear los movimientos dentro de proteínas grandes con el dispositivo. Para superar este desafío, el equipo de Frueh, incluido el científico de RMN Subrata Mishra, Ph.D., el estudiante graduado Kenneth Marincin y el becario postdoctoral Aswani Kancherla, Ph.D., utilizaron nitrógeno-15 y carbono-13, formas naturales de nitrógeno. y carbono, para marcar dos dominios de la enzima HMWP2 y rastrear el cambio en el movimiento de un dominio cuando se modificó un segundo dominio, como ocurre cuando la enzima produce su producto natural.
«Descubrimos que los dos dominios solo se unirían entre sí cuando se modificara el segundo dominio, lo que significa que solo se vincularían según fuera necesario para fabricar el producto y evitarían perder tiempo juntos cuando el segundo dominio no se modifica», dice Frueh. «De alguna manera, el primer dominio puede detectar cuándo se modifica el segundo dominio, y buscamos investigar si los movimientos jugaron un papel en este proceso de reconocimiento».
También encontraron cambios en el movimiento en todo el dominio marcado con carbono-13c, no solo donde se une al segundo dominio, sino también en un segundo sitio de enlace remoto utilizado por un tercer dominio.
A nivel atómico, Frueh dice que estos dos sitios en HMWP2 podrían considerarse «muy alejados»: alrededor de 40 mil millonésimas de metro. Y cómo interactúan, a pesar de su distancia, fue particularmente intrigante para los científicos.
Para mostrar que los movimientos facilitaron la interacción con el sitio remoto y la detección de la modificación del segundo dominio, los científicos modificaron genéticamente las proteínas HMWP2 con una mutación que se produjo en un lugar del dominio lejos de los dos sitios que habían identificado los científicos. Por lo tanto, la mutación no bloqueó directamente la capacidad de los sitios para interactuar con otros dominios.
«Descubrimos que el dominio de la proteína era estructuralmente estable, pero todo su movimiento estaba obstaculizado», dice Frueh. La falta de movimiento de la proteína mutada dañó su capacidad para unirse a otros dominios incluso cuando se modificaron, según los investigadores, lo que demuestra que los movimientos dentro de la proteína eran necesarios para que los dominios trabajaran juntos.
Frueh señala que los científicos podrían aprovechar el conocimiento detallado del movimiento de las proteínas para diseñar nuevos medicamentos que no se dirijan al sitio activo natural de una proteína, sino que detengan su movimiento para inactivarlo. Tal enfoque podría ofrecer más margen para diseñar medicamentos con menos efectos secundarios no deseados, dice.
Con este objetivo, dice Frueh, los investigadores están estudiando cómo la computación y la inteligencia artificial pueden mejorar la comprensión y la predicción del movimiento de las proteínas.
Los fondos para la investigación fueron proporcionados por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de la Salud y el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas (R01GM104257, R15GM123425, R35GM125034, R01Al143997).
Otros investigadores que contribuyeron al estudio son Guillaume Bouvignies de la École Normale Supérieure de París; Santrupti Nerli de la Universidad de California, Santa Cruz; Nikolaos Sgourakis de la Universidad de Pensilvania y Daniel Dowling de la Universidad de Massachusetts.