Las proteínas son más que un requerimiento dietético. Este conjunto diverso de moléculas potencia casi todas las operaciones celulares en un organismo vivo. Los científicos pueden conocer la estructura de una proteína o su función, pero no siempre han podido vincular las dos.
"El gran problema en biología es la cuestión de cómo una proteína hace lo que hace. Creemos que la respuesta se basa en la evolución de las proteínas", dice el profesor y bioinformático de la Universidad de Illinois, Gustavo Caetano-Anollés.
Los geólogos han encontrado restos de vida preservados en rocas de miles de millones de años. En algunos casos, la preservación de microbios y tejidos ha sido tan buena que se pueden detectar estructuras celulares microscópicas que alguna vez se asociaron con proteínas específicas. Este registro geológico proporciona a los científicosuna conexión oculta con la historia evolutiva de las estructuras de proteínas durante períodos de tiempo increíblemente largos, pero, hasta ahora, no siempre ha sido posible vincular la función con esas estructuras para saber cómo se comportaban las proteínas en las células hace miles de millones de años, en comparación con hoy.
"Por primera vez, hemos rastreado la evolución en una red biológica", señala Caetano-Anollés.
Caetano-Anollés y los estudiantes graduados Fayez Aziz y Kelsey Caetano-Anollés usaron redes para investigar el vínculo entre la estructura de la proteína y la función molecular. Construyeron una línea de tiempo de estructuras de proteínas que abarca 3.800 millones de años en todo el registro geológico, pero necesitaban una forma de conectarselas estructuras con sus funciones. Para hacer eso, observaron la composición genética de cientos de organismos.
"Resulta que hay pequeños fragmentos en nuestros genes que se conservan increíblemente con el tiempo", dice Caetano-Anollés. "Y no solo en los genomas humanos. Cuando observamos organismos superiores, como plantas, hongos y animales,además de bacterias, arqueas y virus, los mismos fragmentos siempre están ahí. Los vemos una y otra vez ".
El equipo de investigación descubrió que estos pequeños segmentos genéticos le dicen a las proteínas que produzcan "bucles", que son las unidades estructurales más pequeñas en una proteína. Cuando los bucles se unen, crean sitios activos, o bolsas moleculares, que dan a las proteínas su función.Por ejemplo, la hemoglobina, la proteína que transporta oxígeno en la sangre, tiene dos bucles que crean el sitio activo que une el oxígeno. Los bucles se combinan para crear estructuras de proteínas más grandes llamadas dominios.
Sorprendentemente, el nuevo estudio muestra que los bucles se han reclutado repetidamente para realizar nuevas funciones y que el proceso ha sido activo y continuo desde el comienzo de la vida.
"Este reclutamiento es importante para comprender la diversidad biológica", dice Caetano-Anollés.
Un aspecto importante del estudio se relaciona con el vínculo real entre la estructura del dominio y los bucles funcionales. Los investigadores encontraron que este vínculo se caracteriza por una propiedad no anticipada que se desarrolla en el tiempo, una propiedad "emergente" conocida como modularidad jerárquica.
"Los bucles son módulos cohesivos, como lo son los dominios, las proteínas, las células, los órganos y los cuerpos", explica Caetano-Anollés. "Todos estamos hechos de módulos cohesivos, incluidos nuestros cuerpos humanos. Esa es la modularidad jerárquica: la construcción de pequeños cohesivospartes en conjuntos más grandes y cada vez más complejos "
La modularidad jerárquica también existe en redes artificiales, como Internet. Por ejemplo, cada enrutador representa un "nodo" que envía información a diferentes computadoras. Cuando millones de computadoras interactúan entre sí en línea, emergen entidades más grandes y complejas. Caetano-Anollés sugiere que la evolución de las redes hechas por el hombre podría mapearse de la misma manera que la evolución de las redes biológicas.
"Desde el punto de vista de la informática, pocas personas han estado explorando cómo rastrear redes a tiempo. Imagine explorar cómo crece y cambia Internet cuando se agregan, desconectan o conectan nuevos enrutadores. Es una tarea desalentadora.porque hay millones de enrutadores para rastrear y la comunicación por Internet puede ser muy dinámica. En nuestro estudio, mostramos cómo puede hacerlo con una red muy pequeña ", explica Caetano-Anollés.
Los métodos desarrollados por Caetano-Anollés y su equipo ahora tienen el potencial de explicar cómo el cambio es capaz de estructurar sistemas tan variados como Internet, las redes sociales o el colectivo de todas las proteínas en un organismo.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y del Medio Ambiente de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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