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La rebelión de las estructuras

Xavier Pujol Gebellí

INNOVACIÓN     |    INSTALACIONES CIENTÍIFICAS    |    09/10/2014

Hace apenas 15 años, determinar la estructura de una proteína era poco menos que una noticia acreedora de aparecer en los medios. Hoy ya no es así. Ni en lo que se refiere a la estructura ni al punto de unión de esa misma proteína con un fármaco ni con cualquier otra molécula activa biológicamente. El responsable de esta pequeña rebelión no es otro que el advenimiento de las fuentes de luz sincrotrón y sus líneas de rayos X. Gracias a ellas las estructuras se cuentan hoy por miles. Xaloc es la fuente de rayos X del Sincrotrón Alba. Centros públicos de investigación e industria se benefician de su potencial.

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Alba
Cualquier persona avezada en ciencia tiene conocimiento del DNA y su forma en doble hélice. Fue la primera biomolécula de gran entidad, de gran relevancia puesto que ya se contemplaba su papel central para la vida, cuya estructura fuera descubierta. Como es sabido, el descubrimiento, publicado en Nature en 1953, les valió el premio Nobel a James Watson y a Francis Crick en 1962.

Pocos saben, sin embargo, que el modelo propuesto por Watson y Crick, y poco después aceptado como universal, fue posible gracias a los datos de difracción de rayos X facilitados por la investigadora Rosalind Franklin. Con ellos fue posible representar la estructura tridimensional del DNA. Y muchísimos menos saben aún que William Astbury ya había descubierto en 1937 que el DNA tiene una estructura regular. Fue gracias al primer patrón de difracción de rayos X que se generaba de la molécula de la vida.

Medio siglo después del premio Nobel a Watson y Crick, determinar la estructura de una biomolécula, sin ser trivial, se ha convertido en algo así como una rutina. Se precisa que la muestra a analizar sea cristalizable, algo que ocurre con la mayor parte de proteínas y complejos de proteína con DNA o con una molécula activa de un fármaco y una fuente de rayos X de suficiente calidad. Las mejores y que mejor resolución proporcionan son las generadas en un sincrotrón. En España, la única disponible de estas características es la línea Xaloc del Sincrotrón Alba.


Cristales y proteínas

"El uso de rayos X para el análisis estructural de proteínas y biomoléculas lleva ya más de medio siglo de evolución constante”, explica Jordi Juanhuix, responsable en el Sincrotrón Alba de la línea Xaloc. La técnica se ha ido sofisticando, prosigue, hasta alcanzar el actual grado de desarrollo con el "advenimiento de las fuentes de luz sincrotrón”. Gracias a ellas, lo que hasta hace poco tiempo, veinte años a lo sumo, representaba una tarea ingente, ha pasado a ser un experimento de apenas dos minutos.

portada

Interior de la cabina experimental de Xaloc. Destacan el detector sobre la mesa roja, el goniómetro sobre la mesa azul y el robot cambiador de muestras en amarillo


Dos minutos "de gloria”, ironiza el científico, que han simplificado una gran parte del proceso de análisis de estructuras, pero que en absoluto significan que el proceso global sea un simple acto mecánico. Primero hay que lograr el cristal, tarea nada fácil, calibrar correctamente la línea de luz e interpretar adecuadamente los resultados obtenidos. Pese a que en conjunto se trata de una rutina laboriosa, la aportación de los rayos X generados en un sincrotrón ha sido clave para alcanzar las 100.000 estructuras publicadas de proteínas y otras biomoléculas de interés disponibles para la comunidad científica en el Worldwide Protein Data Bank.

La metodología empleada recibe el nombre de cristalografía de rayos X. Lo que se persigue con ella es lograr un cristal que contenga la molécula a analizar, que podría ser "cualquier cosa”, como una sal, aunque mayoritariamente se trata de proteínas, además de complejos en los que la proteína es uno de sus componentes y el otro suele ser un fármaco, DNA u otra proteína. Obtenido el cristal, los rayos X emitidos desde una fuente de luz sincrotrón generan un patrón de difracción gracias al cual es posible determinar la posición tridimensional de cada uno de los átomos de la molécula o compuesto analizado. Cerca del 90% de las estructuras publicadas se han logrado gracias a los rayos X, lo que da idea de su valor, resalta Juanhuix.


En línea

El investigador, formado en Física en la Universidad Autónoma de Barcelona y especializado en el ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, en Grenoble) , una de las grandes instalaciones europeas, justifica el enorme peso de la metodología en el estudio de proteínas por la clara relación que existe entre su estructura y su función.

Jordi Juanhuix: «Determinar la estructura es el equivalente a "colocar” cada uno de los átomos en su lugar, lo cual implica que pueda verse qué átomos se unen para formar un compuesto. Dicho de otro modo, en qué punto de una proteína se enlaza una molécula con potencial actividad farmacológica.»
"Una proteína suele tener más de una función”, recuerda Juanhuix. Desde estructural, a metabólica, enzimática, inmunológica o muchas otras. En respuesta a esta diversidad de funciones "hay una diversidad de formas”, agrega. Y la forma, su estructura, tiene mucho que ver con la función.

Determinar la estructura es el equivalente a "colocar” cada uno de los átomos en su lugar, lo cual implica que pueda verse qué átomos se unen para formar un compuesto. Dicho de otro modo, en qué punto de una proteína se enlaza una molécula con potencial actividad farmacológica. En experimentos posteriores, ya típicamente bioquímicos, se trata de determinar si la unión lograda inhibe la función de la proteína o altera de algún modo su función. Y, por supuesto, abrirán la puerta a que se intenten otros puntos de unión o se trate de variar los átomos implicados con el fin de mejorar el compuesto.

Y si la estructura puede verse en el caso de proteínas ligadas a posibles fármacos, también se ve en enzimas, proteínas en una vía metabólica para inhibir o acelerar la expresión de genes o en factores de crecimiento. Es decir, "en cualquier biomolécula de interés y sus potenciales ligandos”.



In silico, in vitro, in lux

Las líneas de luz del Sincrotrón Alba se destinan mayoritariamente a centros públicos de investigación y a empresas como parte esencial de sus trabajos de investigación. Es el caso de la cristalografía de rayos X con luz de sincrotrón, un servicio altamente especializado resuelto por un equipo en el que participan químicos, físicos, biólogos e ingenieros para determinar la estructura de una molécula. Básicamente, como resalta Jordi Juanhuix, proteínas.

Cada grupo se trae sus propias muestras, de "100 a 120 de media en 24 horas”, de las que se acabará escogiendo "las mejores”, las que generan un mejor patrón de difracción. Los experimentos realizados con luz de sincrotrón y técnicas bioquímicas y biomoleculares, componen el corpus de la investigación in vitro e in lux.

Las investigaciones in silico, es decir, mediante técnicas bioinformáticas, son complementarias y, en algunos casos, la otra cara de la misma moneda. Sobre la base de los datos experimentales recogidos en el sincrotrón, entre otros, estas técnicas modelan las biomoléculas, su dinámica y sus interacciones. Los bioinformáticos, precisa el investigador, "intentan conseguir la estructura mediante modelos estadísticos o de simulación para reproducir in silico las condiciones de plegamiento de las proteínas”. Juanhuix se refiere a ellos bromeando como "nuestra competencia en algunos casos”, aunque son vistas como otro elemento fundamental en el conocimiento íntimo de la maquinaria de la vida.
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Xavier Pujol Gebellí

Periodista

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Excelencia Severo Ochoa

Logos colaboradores julio 2014

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