Química - Bioquímica

NOTA: esta sección fue discontinuada, contiene artículos antiguos, permanece sólo por si alguien busca este tipo de información.

PROTEINAS

Mapa de proteínas

19/04/2002

Los científicos se preparan para desarrollar un mapa que contenga todas las proteínas conocidas. La iniciativa, que durará cinco años, podría tener una importancia paralela a la de la conocida tabla periódica de los elementos, ya que ayudará a identificar las funciones de las nuevas proteínas que se vayan descubriendo.

La tarea ha sido asignada, bajo un contrato de investigación de la National Science Foundation de algo más de 1 millón de dólares, a Golan Yona, un experto en ciencia de los ordenadores. Yona, que trabaja en la Cornell University, se encargará de categorizar y situar en un mapa multidimensional a cientos de miles de proteínas conocidas. Así, la colocación de una nueva proteína en el mapa permitirá imaginar su función comparándola con aquellas que se encuentren cercanas a ella. De la misma manera, cuando un gen es secuenciado, comparando dicha secuencia con otras del mapa podremos predecir la estructura y la función de la proteína para la cual codifica el gen.

Las dimensiones del mapa indirectamente reflejan características tales como la forma física, la topología o la secuencia de aminoácidos de las proteínas. A Yona le gusta la idea de la tabla periódica de los elementos, propuesta por Mendeleiev en 1869, porque ordena los elementos en orden de número de protones, colocando aquellos con similitudes químicas en las mismas columnas. La tabla ayudó a predecir elementos que no habían sido aún descubiertos. De la misma manera, Yona cree que las proteínas evolucionaron y generaron una colección de familias diferentes, pero no se trata de una colección aleatoria. Por eso, espera que el mapa ayude a encontrar principios globales que puedan explicar la organización y la creación del espacio de las proteínas.

Unas pocas proteínas pueden ser organizadas y clasificadas a mano, como los biólogos han organizado y clasificado animales y plantas. Pero hay tantas proteínas conocidas que sólo los ordenadores pueden procesar todas las posibles relaciones. El proceso precisa de meses de cálculos en grandes grupos de computadoras actuando en paralelo. Dado que se añaden cada día nuevas proteínas a las bases de datos, el mapa debe ser actualizado frecuentemente.

Yona ya ha creado un mapa preliminar y espera disponer de una versión más afinada dentro de un año. Ha creado una página web llamada ProtoMap, donde los investigadores pueden enviar descripciones de proteínas o secuencias de genes, y encontrar sus localizaciones sobre el mapa. Una segunda base de datos (BioSpace), que desarrolló mientras estaba en la Stanford University, almacena modelos tridimensionales de más de 160.000 proteínas.

Proteínas como conexiones en microchips

14/06/2002

Investigadores de la University of Arizona están explorando formas de elaborar microchips con la participación de proteínas procedentes de células vivas. Conectarán los transistores y otros dispositivos en el interior de los microchips, creciendo entre ellos. Una vez hechas las conexiones, las proteínas serán recubiertas con metal y convertidas en microscópicos hilos eléctricos.

En la actualidad, los microchips se fabrican mediante litografía, grabado y soldadura. Todos estos procesos serían sustituidos por el nuevo método, que utilizará cordones de proteínas llamados microtúbulos (MT).

Los MT son comunes en la naturaleza. Ayudan a las células en la mitosis (división celular) y tienen un diámetro de unos 24 nanómetros. Podríamos colocar millones de ellos en un milímetro. También pueden crecer hasta alcanzar longitudes de varios micrones (1.000 micrones es equivalente a 1 mm), lo que quiere decir que pueden ser 1.000 veces más largos que anchos, siendo ideales para fabricar hilos increíblemente diminutos.

Su uso permitirá que los ingenieros puedan colocar una mayor cantidad de circuitos en una zona más pequeña. Gracias a que los MT son de tamaño uniforme y son capaces de autoensamblarse, podrán utilizarse para reducir de 10 a 100 veces la demanda de energía de los microchips. Algo muy útil en los sistemas portátiles, donde la duración de la batería siempre es un problema.

Cuando los MT crecen en un microchip, "saben" dónde hacer las conexiones adecuadas porque sus extremos tienen diferentes polaridades. Pero este tipo de tecnología aún está lejos de estar disponible en las tiendas de electrónica. Los científicos aún se encuentran en la fase de "ciencia básica" y aún serán necesarias muchas pruebas para verificar los procesos que intervienen en el método.

Lo que sí queda claro es la tendencia hacia el uso de biomoléculas donde los materiales tradicionales están alcanzando sus límites operativos. Conectar biología e ingeniería es todo un reto que sin duda revolucionará el futuro gracias a su tremendo potencial.

Técnicas avanzadas de cristalización de proteínas

12/07/2002

En el Laboratorio de Estudios Cristalográficos del CSIC desarrollan técnicas punteras de cristalización de biomoléculas. Su trabajo les ha llevado al desarrollo de la Granada Crystallisation Box, un dispositivo que permite cristalizar proteínas en la Tierra minimizando el efecto perturbador de la gravedad terrestre.

También les ha llevado al desarrollo de cristales de proteínas mecánicamente reforzadas, unas proteínas cristalizadas que siguen siendo bioquímicamente activas, lo que las hace adecuadas para usos en condiciones ambientales duras e inusuales para estas biomoléculas. Todo ello, sin dejar de lado la tarea habitual de cristalizar fármacos, bajo contrato, para la industria farmacéutica.

Un paso previo obligado a la resolución de la estructura de las moléculas de interés biotecnológico es su cristalización. Esto es así porque la técnica actual más eficaz para descubrir la estructura molecular de cualquier compuesto es la difracción de rayos X sobre cristales. Sin embargo, existen dificultades sobradamente conocidas para obtener cristales suficientemente grandes de buena calidad. Estas dificultades tienen que ver con los movimientos de convección y con la sedimentación, provocados por la gravedad terrestre, que se dan en un fluido con materia en suspensión, como el fluido en el que se precipita el compuesto que se va a cristalizar. El resultado son dislocaciones e imperfecciones en los cristales resultantes. Esto no es un problema insalvable cuando se trata de moléculas pequeñas, ya que se puede descubrir la estructura molecular a pesar de las imperfecciones, pero no cuando se trata de macromoléculas como el ADN o las proteínas.

Estas dificultades han sido un acicate para el desarrollo de experimentos espaciales de cristalización, ya que la ausencia de gravedad terrestre evita los problemas de convección y sedimentación. Así se demostró en los experimentos realizados durante los años 80, como la misión del Spacelab en 1983, en la que se consiguieron cristales de la proteína lisozima, con tamaños hasta 100 veces mayores que los obtenidos en la Tierra y con una calidad óptica muy superior (de interés para la difracción por rayos X).

Pero nada es perfecto y los inconvenientes que limitan el uso de esta alternativa espacial se adivinan fácilmente, entre ellos un nada despreciable factor económico que se multiplica si se tiene en cuenta el gran número de experimentos que se requieren hasta dar con las condiciones idóneas de cristalización y con la estructura molecular. Mientras no se pueda eliminar la gravedad terrestre, y es algo que ciertamente no se puede hacer, no hay demasiadas opciones. A menos que exista alguna forma de modificar el proceso de cristalización de forma que se evite o reduzca el movimiento de convección y la sedimentación.

Esto es precisamente lo que han hecho en el Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC) del CSIC. Se trata de la Granada Crystallisation Box (GCB), desarrollada por el equipo que dirige Juan Manuel García Ruiz, profesor de investigación y director del laboratorio.

Granada Crystallisation Box (GCB) es un dispositivo para la cristalización de proteínas en el que se utilizan técnicas de contradifusión. Está formado por unas cajas de poliestireno que contienen capilares de rayos X (cilindros de diámetro similar al del cabello humano, necesarios para hacer la difracción posterior) y un gel. Es sobre el gel que se vierte directamente la solución con la proteína que se va a cristalizar. El gel, que bien puede ser de agarosa o de sílice, "es un medio poroso que permite que las moléculas se muevan por difusión pero evita el movimiento de convección del fluido y la sedimentación", detalla Juan Manuel García Ruiz.

García Ruiz lo ilustra con el ejemplo del conocido juego Tetris. "Cuando se cristaliza una sustancia", explica, "lo que hacemos es favorecer que las moléculas se ordenen en un entramado periódico tridimensional". De forma análoga, con el Tetris lo que se hace es poner las piezas en su posición correcta conforme van cayendo, a velocidad creciente, hacia la parte inferior de la pantalla. Cuanta menor es la velocidad a la que caen las fichas, mayor es la oportunidad de poder colocarlas en posición correcta. Igualmente, en el caso de la cristalización, cuanta menor es la velocidad de transporte de las moléculas hacia las caras del cristal que está creciendo, mayor será la posibilidad de que se adapten al "orden periódico tridimensional" del cristal. Si la velocidad es mayor, las moléculas se colocaran de forma incorrecta y se obtendrán amontonamientos amorfos.

Por lo tanto, añade García Ruiz, la cristalización ideal será aquella en la que las moléculas lleguen a la superficie del cristal con velocidad igual o menor a la de su reorganización en la superficie, así que se trata de asegurar que el transporte de moléculas sea lo más lento posible y de que se evite el transporte por convección, que es mucho más rápido y caótico. Esto es lo que hacen precisamente las condiciones de microgravedad en el espacio. Y es también lo que hace el uso de geles, como en la Granada Crystallisation Box.

Los geles ya se habían empezado a utilizar en cristalización, pero no de la forma que se aplica en la GCB. Las ventajas del dispositivo GCB son que permite realizar múltiples experimentos en un pequeño volumen, reduce el efecto perturbador de la gravedad y los cristales se forman dentro de capilares de rayos X, a punto para ser difractados sin manipularlos posteriormente.

Pero sobretodo, permite la cristalización de la proteína bajo distintas condiciones de cristalización en un solo capilar, acercándose de manera progresiva a las condiciones óptimas. En la práctica, esto quiere decir que mientras se difunde a través del gel la solución con la proteína, esta va perdiendo saturación y cristalizando progresivamente, de forma que en un mismo capilar habrá un cristal que va desde una forma más amorfa hasta una más perfecta. Así, que donde antes había que hacer varios ensayos para encontrar el nivel ideal de saturación del fluido en el que disuelve la proteína, ahora basta con uno.

La Granada Crystallisation Box, patentada por el CSIC, puede ser utilizada tanto en misiones espaciales como en la Tierra. Por eso se comercializa, en su versión más sencilla para la Tierra, por la empresa Hampton Research. En el ámbito espacial, la GCB ya ha sido probada en varios vuelos. ¿Podrá la GCB, en el futuro, sustituir totalmente a los viajes espaciales? "Nuestra técnica", detalla Juan Manuel García Ruiz, "proporciona los mejores cristales que se pueden obtener en Tierra y es más barata que hacerlo en el espacio". Otra cuestión es decir qué cristales son mejores, si los obtenidos con la GCB en el espacio o los obtenidos con la GCB en la Tierra, y si pueden, la industria y los científicos, prescindir de los costosos experimentos espaciales. Ahora, añade García Ruiz, "estamos evaluando la técnica conjuntamente con la Agencia Espacial Europea, y para ello se va a enviar la GCB de nuevo al espacio, en un vuelo que parte hacia la Estación Espacial Internacional el próximo septiembre". Igualmente interesados por la GCB están en NASDA, la agencia espacial japonesa, que han firmado un contrato para poder probar el dispositivo en el espacio a partir del año 2003. (R+D CSIC)

Robot que mejora el análisis de proteínas

19/07/2002

Para aprender más sobre la vida, los investigadores del Berkeley Lab utilizan robots especiales. Con ellos han automatizado un proceso tradicionalmente lento, durante el cual los diminutos cristales de proteínas son montados y centrados bajo un haz de rayos-X para analizar su estructura molecular.

El robot, el primero disponible para usuarios generales en un sincrotón, no sólo monta los cristales de proteínas en la línea del rayo sino que también utiliza los resultados para descifrar la estructura atómica de las proteínas analizadas. Una vez completamente implementado, el robot permitirá un incremento de diez veces el número de proteínas que será posible mapear anualmente en la Advanced Light Source (ALS), del Berkeley Lab. El ALS es la fuente más brillante de rayos-X y ultravioleta del mundo.

La secuenciación de genomas y las investigaciones relacionadas con el desarrollo de fármacos exigen un ritmo de análisis cada vez más rápido. Es por eso que los sincrotones tienen una demanda creciente. Estos aparatos funcionan acelerando electrones hasta casi la velocidad de la luz, forzando sus trayectorias mediante poderosos imanes para que recorran un circuito circular. A esta velocidad, los electrones emiten una luz de rayos-X extremadamente brillante que puede ser dirigida hacia el objeto que los científicos quieran investigar a nivel atómico, como es el caso de los cristales de proteínas. El patrón seguido por los rayos-X cuando son difractados desde los cristales es utilizado para determinar la estructura molecular de la proteína, que a su vez sirve para deducir su función.

Es un proceso laborioso. Realizado a mano, se necesitan entre 10 y 20 minutos para montar y alinear el cristal de proteína en el punto de incidencia del rayo. A este ritmo, se necesitarían años para analizar las más de 30.000 proteínas producidas por el genoma humano. La solución está en un robot que se encargue de las tareas repetitivas. El del Berkeley Lab posee un contenedor con 112 cristales de proteína, criogénicamente enfriados mediante nitrógeno a 100 grados Kelvin para minimizar el daño producido por la radiación.

Mediante un ordenador, el operador selecciona los cristales a estudiar. Entonces, un brazo refrigerado se introduce en el contenedor, monta un cristal en el punto adecuado en unos 10 segundos, y lo centra para la observación. Si todo va bien, se activa el rayo y se registran los datos. Todo el proceso dura unos dos minutos por cristal y permite dibujar tridimensionalmente la estructura molecular de la proteína.

El invento revolucionará sin duda la técnica de la cristalografía de proteínas.