Si los Récords Mundiales Guinness tuvieran una categoría para la mayor proteína diseñada por el ser humano, un equipo de químicos de Vanderbilt acabaría de reclamarla.
Han diseñado y sintetizado con éxito una variante de una proteína que la naturaleza utiliza para fabricar el aminoácido esencial histidina. Tiene más del doble de tamaño que la anterior poseedora del récord, una proteína creada por investigadores de la Universidad de Washington en 2003.
La proteína sintética, denominada FLR, valida un nuevo enfoque que los científicos de Vanderbilt han desarrollado y que les permite diseñar proteínas artificiales funcionales sustancialmente más grandes de lo que era posible hasta ahora.
«Ahora tenemos los algoritmos que necesitamos para diseñar proteínas grandes con formas que no se ven en la naturaleza. Esto nos da las herramientas que necesitamos para crear anticuerpos nuevos y más eficaces y otras proteínas beneficiosas», dijo Jens Meiler, el profesor asociado de química en Vanderbilt que dirigió el esfuerzo.
Recientemente, los ingenieros de proteínas han verificado una estrategia de tratamiento potencial para el VIH mediante el uso de vacunas de proteínas diseñadas en ratones y han diseñado proteínas artificiales que imitan a los anticuerpos en las infecciones de gripe ampliamente neutralizadas. La técnica desarrollada en Vanderbilt promete ampliar sustancialmente el alcance de estos esfuerzos.
Esto es importante porque las proteínas son las moléculas más importantes de las células vivas. Realizan la mayor parte de las tareas vitales que tienen lugar en un organismo vivo. Hay cientos de miles de proteínas diferentes. Tienen una gran variedad de formas y tamaños. Pueden ser redondas o largas y delgadas, rígidas o flexibles. Pero todas están formadas por cadenas lineales de 20 aminoácidos codificadas en el genoma del organismo.
Las proteínas adoptan esta variedad de formas y tamaños por la manera en que se agrupan y pliegan. Este complejo proceso consta de dos pasos. En primer lugar, un pequeño número de aminoácidos adyacentes forman lo que los científicos denominan estructuras secundarias: las más comunes son una forma espiral parecida a una varilla llamada hélice alfa y una forma plana y plegada llamada hoja beta. Estas estructuras secundarias, a su vez, interactúan, se pliegan y se enrollan para formar la forma tridimensional de la proteína, que es la clave de su función.
En los últimos 10 años se ha diseñado «in silico» (en un ordenador) un número cada vez mayor de proteínas que no existen en la naturaleza. Los científicos utilizan un sofisticado software de modelado de proteínas que incorpora las leyes pertinentes de la física y la química para encontrar secuencias de aminoácidos que se plieguen en formas estables y tengan funciones específicas.
Imagínese que hace un collar de 10 cuentas de largo con cuentas que vienen en 20 colores diferentes. Hay más de 10 billones de combinaciones diferentes entre las que elegir. Esto da una idea de la complejidad que supone el diseño de nuevas proteínas. Para una proteína de un tamaño determinado, el software de modelado crea millones de versiones poniendo cada aminoácido en cada posición y evaluando la estabilidad de la molécula resultante. Esto requiere una enorme potencia de cálculo que se dispara a medida que aumenta la longitud de la proteína.
«El límite actual de este enfoque, incluso utilizando los superordenadores más rápidos, es de unos 120 aminoácidos», afirma Meiler. El anterior récord contenía 106 aminoácidos. La nueva proteína diseñada contiene 242 aminoácidos. El grupo de Vanderbilt superó este límite modificando la plataforma de ingeniería de proteínas llamada ROSETTA, ampliamente utilizada, para que pueda incorporar la simetría en el proceso de diseño.
Su éxito proporciona un nuevo apoyo a una controvertida teoría sobre la evolución de las proteínas denominada hipótesis de duplicación y fusión de genes. La ventaja de las proteínas pequeñas es que pueden evolucionar rápidamente en respuesta a condiciones cambiantes, pero las proteínas más grandes pueden realizar funciones más complejas. La naturaleza encontró la forma de obtener ambas ventajas seleccionando proteínas pequeñas que pueden interactuar con otras copias de sí mismas para formar proteínas más grandes, que se denominan dímeros. Una vez creados los dímeros útiles, el gen que codifica la proteína original se duplica y fusiona para formar un nuevo gen que pueda producir directamente el dímero. Una vez creado, el gen del dímero es modificado gradualmente por la selección natural para hacerlo más eficiente o desarrollar nuevas funciones.
Debido a que tienen dos mitades idénticas, los dímeros tienen un gran grado de simetría. Al tener en cuenta estas simetrías, el grupo de Vanderbilt pudo reducir sustancialmente el tiempo de cálculo necesario para crear la proteína FLR. Utilizando 400 procesadores del superordenador del Centro de Computación Avanzada para la Investigación y la Educación de Vanderbilt, se necesitaron 10 días de procesamiento continuo para encontrar la configuración más estable.
Para comprobar la precisión de su diseño, los investigadores sintetizaron la secuencia de ADN que produce la proteína, la insertaron en la bacteria E.coli y determinaron que producían la proteína y que ésta se plegaba correctamente.
La proteína FLR adopta una forma tridimensional denominada barril TIM, que se encuentra en el 10 por ciento de las proteínas y es especialmente frecuente entre las enzimas. Está formada por ocho hebras beta rodeadas por ocho hélices alfa dispuestas en forma hexagonal como un pequeño barril.
El artículo que informa de este logro aparece en el número del 16 de noviembre de la revista Journal of American Chemical Society y está disponible en línea. Los miembros del equipo de Meiler son la asistente de investigación Carie Fortenberry, los estudiantes universitarios Elizabeth Bowman, Will Proffitt y Brent Dorr y los profesores asistentes de investigación de bioquímica Joel Harp y Laura Mizoue. La investigación contó con el apoyo de subvenciones del proyecto de diseño de proteínas de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y de la Fundación Nacional de la Ciencia.