Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Mike Sleutel del Centro VIB-VUB de Biología Estructural en colaboración con científicos del Instituto de Sistemas Moleculares Complejos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, y el CNRS en Grenoble, tiene por primera vezdescubrió los detalles moleculares de la nucleación de cristales de proteínas, un proceso de gran relevancia médica y científica. El equipo también desarrolló una nueva metodología para estudiar una amplia clase de sistemas que han permanecido esquivos hasta la fecha. Sus resultados se publican en Naturaleza .
Dr. Mike Sleutel VIB-VUB: "Será emocionante ver que esta nueva técnica se aplica en el futuro para seguir los procesos de autoensamblaje de proteínas que están implicados en una variedad de trastornos patológicos, como la fase líquido-líquidoseparación en la formación de cataratas oculares o la formación de fibras amiloides asociadas con una variedad de trastornos neurológicos ".
Importancia médica de los cristales de proteínas
Los cristales de proteínas tienen una gran relevancia médica y científica. Durante décadas, han sido esenciales para que los biólogos estructurales resuelvan las estructuras tridimensionales de las proteínas, pero los cristales de proteínas también se utilizan como agentes de administración biofarmacéuticos. Las suspensiones cristalinas son formulaciones atractivas paraalmacenar y administrar compuestos farmacéuticos activos debido a su vida útil a largo plazo, baja viscosidad del disolvente y velocidad de disolución lenta. Quizás el ejemplo más conocido es la insulina: las inyecciones de insulina comprenden la inyección subcutánea de una suspensión de microcristales de insulina que se disuelven lentamente para producir unaEntrega constante y sostenida en el tiempo. A pesar de su tremendo potencial, hay dos factores que limitan el uso de cristales de proteína en una amplia gama de aplicaciones.
Desafíos en el desarrollo de cristales de proteínas
Primero, cultivar cristales de proteínas, como dirán muchos biólogos moleculares, es más un arte que una ciencia. De hecho, para muchas proteínas, la cristalización puede ser terriblemente difícil. Esto en parte se debe al hecho de que los científicos no entienden laetapas tempranas de la formación de cristales de proteínas. Cualquier cristal se origina a partir de un núcleo, una diminuta semilla cristalina, que se forma por la agrupación espontánea de unas pocas moléculas en solución que deben adoptar una organización regular en tres dimensiones. Cómo las moléculas realizan esta improbable hazañaha sido un misterio hasta este momento.
En segundo lugar, una sola proteína puede cristalizar en múltiples formas de cristal diferentes, esto se conoce como polimorfismo. Los diferentes polimorfismos de cristal tienen diferentes características, siendo las más notables el poder de difractar los rayos X crucial para la determinación de la estructura 3D, y elvelocidad a la que se disuelve crucial para la administración del fármaco. Hasta el momento, es muy difícil guiar el proceso de cristalización al polimorfo de su agrado. Los científicos creen que la selección de polimorfos tiene lugar en la etapa de nucleación, pero nadie sabe exactamentecómo funciona el mecanismo.
Una nueva forma de ver el autoensamblaje de macromoléculas
El grupo de científicos dirigido por el Dr. Mike Sleutel ha utilizado microscopía electrónica de crio-transmisión de última generación Cryo-TEM para capturar el nacimiento de un cristal de proteína visualizando el proceso de nucleación en resolución molecular.
El Dr. Heiner Friedrich explica: "Debido a que el proceso ocurre tan rápido y a una escala de longitud tan pequeña, necesitábamos detener criogénicamente la muestra en varias etapas del proceso. Una vez congelada en el tiempo, usamos un microscopio electrónico muy sensible paravisualice las proteínas y cómo se agrupan para formar un núcleo y finalmente el cristal de proteína ".
Al analizar las imágenes Cryo-TEM tomadas de una serie de muestras a intervalos de tiempo constantes, podrían comenzar a descifrar la serie de colisiones moleculares que deben tener lugar para formar un núcleo cristalino. El Dr. Mike Sleutel continúa: "NosotrosNos sorprendió la inesperada complejidad del proceso, que resultó ser mucho más complejo que los modelos de trabajo que nosotros y otros en el campo teníamos antes de estas observaciones. Para la proteína que usamos en nuestro estudio, descubrimos un proceso de autoensamblaje jerárquicoque implica tres etapas posteriores de autoensamblaje a escalas de longitud cada vez mayores ". Estas observaciones son las primeras de su tipo y proporcionan una nueva forma de ver los procesos de autoensamblaje de macromoléculas en estructuras más grandes.
Pero el equipo fue incluso un paso más allá y comparó las vías de nucleación de múltiples polimorfos. Demostraron que la selección de polimorfos está dictada por la arquitectura de los fragmentos más pequeños posibles formados en puntos de tiempo tempranos. Una vez que se forman tales estructuras, la fedel sistema. El Dr. Alexander Van Driessche explica: "Al analizar y comprender las diferencias en la estructura de los distintos núcleos, desarrollamos estrategias para guiar el proceso de selección de polimorfos. Lo logramos ajustando suavemente los diferentes modos de interacción que existenentre las moléculas, dirigiendo el proceso de nucleación en la dirección que elijamos ". El equipo cree que los nuevos conocimientos y metodología avanzarán significativamente en el desarrollo de cristales de proteínas para la determinación de estructuras 3D y aplicaciones médicas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por VIB Instituto de Biotecnología de Flandes . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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