Las propiedades ultraestables de las proteínas que permiten que las ballenas de buceo profundo permanezcan activas mientras aguantan la respiración por hasta dos horas podrían ayudar al bioquímico de la Universidad de Rice John Olson y sus colegas a terminar una búsqueda de 20 años para crear sangre sintética que salve vidas parapacientes con trauma humano.
En un nuevo estudio presentado esta semana en el Revista de Química Biológica , Olson y sus colegas George Phillips, Lucian Smith y Premila Samuel compararon la mioglobina de la proteína muscular de humanos, ballenas y otros mamíferos de inmersión profunda. La mioglobina contiene oxígeno para usar dentro de las células musculares, y el estudio encontró que los mamíferos marinos tienenversiones estables de mioglobina que tienden a no desarrollarse. Los investigadores encontraron que la estabilidad era la clave para que las células produjeran grandes cantidades de mioglobina, lo que explica por qué los mamíferos que se sumergen en profundidad pueden cargar sus células musculares con mucha más mioglobina que los humanos.
"Las ballenas y otros mamíferos marinos que se sumergen profundamente pueden acumular 10-20 veces más mioglobina en sus células que los humanos, y eso les permite 'descargar' oxígeno directamente en sus músculos esqueléticos y mantenerse activos incluso cuando están conteniendo la respiración", dijo Olson, profesor de Bioquímica y Biología Celular de Ralph y Dorothy Looney de Rice." La razón por la cual la carne de ballena es tan oscura es porque está llena de mioglobina que es capaz de retener oxígeno. Pero cuando la mioglobina está recién hecha, todavía nocontienen hemo. Descubrimos que la estabilidad de la mioglobina sin hemo es el factor clave que permite que las células produzcan grandes cantidades de mioglobina ".
Eso es importante para Olson porque quiere crear una cepa de bacterias que pueda generar cantidades masivas de otra proteína que esté estrechamente relacionada con la mioglobina. Olson ha pasado dos décadas estudiando la hemoglobina, una proteína transportadora de oxígeno más grande y más compleja en la sangre. OlsonEl objetivo es crear sangre sintética para su uso en transfusiones. Actualmente, los hospitales y especialistas en traumatología confían en la sangre total donada, que a menudo es escasa y tiene una vida útil limitada. Una parte crucial del plan de Olson es maximizar la cantidad de hemoglobina que una bacteriapuede expresar.
"Nuestros resultados confirman que la estabilidad de la proteína es la clave", dijo Olson. "En este estudio, Premila y George desarrollaron un método in vitro para probar la expresión de mioglobina fuera de las células vivas. Eso nos permitió controlar cuidadosamente todas las variables. Nosotrosdescubrieron que la cantidad de mioglobina completamente activa expresada dependía directa y fuertemente de la estabilidad de la proteína antes de que se uniera al grupo hemo ".
Todas las proteínas tienen una forma característica, y la familia de proteínas globina se forma alrededor de un bolsillo donde se almacena el hemo. El bolsillo del hemo se abre y se cierra, al igual que el bolsillo de un guante de béisbol, para atrapar y liberar oxígeno.
Samuel, un estudiante graduado en el Departamento de Biociencias de Rice, dijo que la forma de mioglobina libre de hemo que estudió se llama apoproteína o apomioglobina.
"Cuanto más estable sea la apoproteína, más producto final podríamos hacer", dijo. "La apomioglobina humana no es muy estable en comparación con la de los mamíferos que se zambullen, que tienen versiones de la apoglobina que son hasta 60veces más estable que la nuestra "
Samuel dijo que las diferencias de estabilidad no son obvias si uno simplemente compara las estructuras generales de la mioglobina de cada especie. Sus formas generales, incluidas las formas de sus bolsillos hem, son las mismas. Sin embargo, gracias a sutiles diferencias en su aminosecuencias ácidas, las mioglobinas más estables son más capaces de retener sus formas. Samuel dijo que esta estabilidad subyacente solo se hace evidente cuando se estudian las versiones libres de hemo, o "apo" de la proteína. Ella midió la estabilidad usando químicos que obligaron a las apoproteínas adesplegarse: midiendo cuidadosamente la cantidad de sustancia química requerida, pudo medir con precisión la estabilidad.
Ella dijo que su trabajo fue posible gracias a tres estudios anteriores. En 1999, Emily Scott, una estudiante graduada en el laboratorio de Olson, notó que la apomioglobina de cachalote era mucho más resistente al desarrollo inducido químicamente que las apoproteínas humanas o de cerdo correspondientes. Scott se preguntósi la resistencia al despliegue era un rasgo de las ballenas de buceo profundo, entonces ella recolectó muestras de una variedad de mamíferos y confirmó la idea en 2000.
Al mismo tiempo, el coautor del estudio Smith, otro de los estudiantes de posgrado de Olson, estaba examinando un catálogo de 250 apomioglobinas mutantes de cachalote. Se dio cuenta de que una cierta clase de mutaciones en el bolsillo del grupo hemo hacía que las proteínas se volvieran extraordinariamente establesa pesar de que las mutaciones dañaron su capacidad de unir hemo y oxígeno.
Finalmente, en 2013, Michael Berenbrink de la Universidad de Liverpool y Kevin Campbell de la Universidad de Manitoba notaron que los mamíferos que se sumergen en profundidad expresaron grandes cantidades de mioglobina en su tejido muscular. Berenbrink y Campbell analizaron sistemáticamente los genes y la información disponible para todas las mioglobinas de mamíferos, incluidos los de las especies de buceo profundo, y descubrieron que las mioglobinas de los mamíferos acuáticos tenían grandes cargas superficiales positivas en comparación con las de los animales terrestres. Supusieron que las diferencias de carga permitieron a las especies acuáticas acumular más mioglobina en sus células musculares.
"Escuché a Berenbrink presentar su trabajo, y me pregunté si deberíamos volver a investigar el trabajo de Emily y Lucian sobre los niveles de expresión y la estabilidad de la apoglobina", dijo Olson. "En ese momento, estábamos en el proceso de tratar de filtrar a gran escala-escale bibliotecas de mutantes de hemoglobina para tratar de seleccionar una mayor estabilidad y expresión como parte de nuestro trabajo en la evaluación de los sustitutos de la sangre. George sugirió que usáramos un sistema de traducción libre de células basado en germen de trigo para esas pantallas, y Premila se estaba preparando para probarlos métodos con mioglobina
"Los tres decidimos que debía realizar sus pruebas en una serie de proteínas que incluían mioglobinas de humanos, cerdos y varios de los mamíferos que Emily había probado y Berenbrink había examinado", dijo Olson.El doctorado de Lucian da como resultado la construcción de tres mutantes que eran mucho más estables que cualquier cosa encontrada en la naturaleza ".
En sus pruebas, Samuel comparó la estabilidad y el nivel de expresión libre de células de mioglobinas de humanos, cerdos, ballenas de ganso, focas grises, cachalotes, cachalotes enanos y los tres mutantes, que tenían una baja afinidad por el hemo pero eran 50 veces másestable que las apomioglobinas de las ballenas. La investigación confirmó que la estabilidad de la apoproteína se correlaciona directamente con los niveles de expresión. Por ejemplo, se podría producir muy poca mioglobina humana y de cerdo en el sistema libre de células, que produjo entre 10 y 20 veces máscantidades de ballenas y mioglobinas mutantes.
Los resultados del estudio sin células verifican inequívocamente las correlaciones de estabilidad de expresión que se habían observado anecdóticamente en trabajos previos tanto en células de mamífero como en E. coli, dijo Olson.
"Este trabajo es muy importante para nuestros proyectos sobre sustitutos sanguíneos sintéticos y para determinar la toxicidad de la hemoglobina acelular", dijo. "Premila ha sentado las bases para la detección de alto rendimiento de grandes bibliotecas de variantes de hemoglobina sin la necesidad de purificar miligramos".cantidades de proteína pura. Este método es un gran paso adelante en nuestros esfuerzos para identificar hemoglobinas recombinantes más estables ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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