Alrededor del 30 por ciento de las proteínas codificadas por el genoma humano son proteínas de membrana, proteínas que abarcan la membrana celular para que puedan facilitar la comunicación entre las células y su entorno. Estas moléculas son críticas para aprender, ver y detectar olores, entre muchosotras funciones.
A pesar de la prevalencia de estas proteínas, los científicos han tenido dificultades para estudiar sus estructuras y funciones porque las porciones unidas a la membrana son muy hidrófobas, por lo que no se pueden disolver en agua. Esto hace que sea mucho más difícil hacer análisis estructurales, como X-cristalografía de rayos.
En un avance que podría facilitar la realización de este tipo de estudio estructural, los investigadores del MIT han desarrollado una forma de hacer que estas proteínas sean solubles en agua al cambiar algunos de sus aminoácidos hidrófobos por hidrófilos. La técnica se basa en un códigoeso es mucho más simple que los métodos desarrollados previamente para hacer que estas proteínas sean solubles, que se basan en algoritmos informáticos que tienen que adaptarse a cada proteína caso por caso.
"Si no hay una regla que seguir, es difícil para las personas entender cómo hacerlo", dice Shuguang Zhang, científico investigador principal en el Centro de Bits y Átomos del MIT Media Lab. "La herramienta tiene que ser simple,algo que cualquiera puede usar, no una sofisticada simulación por computadora que solo unas pocas personas saben cómo usar "
Zhang es el autor principal del estudio, que aparece en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias la semana del 27 de agosto. Otros autores del MIT son el ex profesor visitante Fei Tao, el postdoc Rui Qing, el ex profesor visitante Hongzhi Tang, el estudiante graduado Michael Skuhersky, el ex estudiante de pregrado Karolina Corin '03, SM '05, PhD '11, expostdoctorado Lotta Tegler, estudiante de posgrado Asmamaw Wassie y ex estudiante de pregrado Brook Wassie '14.
Un código simple
De las aproximadamente 8,000 proteínas de membrana conocidas que se encuentran en las células humanas, los científicos han descubierto estructuras para aproximadamente 50. Son ampliamente vistas como muy difíciles de trabajar porque una vez que se extraen de la membrana celular, solo mantienen su estructura si estánsuspendido en un detergente, que imita el entorno hidrofóbico de la membrana celular. Estos detergentes son caros y no existe un detergente universal que funcione para todas las proteínas de membrana.
Zhang comenzó a trabajar en una nueva forma de abordar este problema en 2010, inspirado por el difunto Alexander Rich, profesor de biología del MIT. Rich planteó la pregunta de si las estructuras de proteínas llamadas hélices alfa, que constituyen la mayor parte de la membrana,parte incrustada de proteínas, podría cambiarse de hidrofóbico a hidrofílico. Zhang inmediatamente comenzó a buscar posibles soluciones, pero el problema resultó difícil. En los últimos ocho años, ha tenido varios estudiantes e investigadores visitantes que colaboraron en su idea, más recientemente Qing, quien logró el éxito.
La idea clave que permitió a Zhang desarrollar el código es el hecho de que un puñado de aminoácidos hidrofóbicos tienen estructuras muy similares a algunos aminoácidos hidrofílicos. Estas similitudes le permitieron a Zhang crear un código en el que la leucina se convierte en glutamina,isoleucina y valina se convierten en treonina, y la fenilalanina se convierte en tirosina.
Otro factor importante es que ninguno de estos aminoácidos está cargado, por lo que su intercambio parece tener un efecto mínimo en la estructura proteica general. De hecho, la isoleucina y la treonina son tan similares que los ribosomas, las estructuras celulares que ensamblan proteínas, ocasionalmenteinserte el incorrecto, aproximadamente una vez cada 200 a 400 ocurrencias.
Los investigadores llaman a su código el código QTY, después de las tres letras que representan glutamina, treonina y tirosina, respectivamente.
En sus primeros esfuerzos para implementar este código, los investigadores sustituyeron solo una pequeña fracción de los aminoácidos hidrófobos incrustados en la membrana, pero las proteínas resultantes aún necesitaban un poco de detergente para disolverse. Aumentaron la tasa de reemplazo a alrededor del 50 por ciento, perolas proteínas aún no eran completamente solubles en agua, por lo que reemplazaron todas las instancias de glutamina, isoleucina, valina y fenilalanina incrustadas en las membranas. Esta vez, lograron el éxito.
"Es solo cuando reemplazamos todos los residuos hidrofóbicos en las regiones transmembrana que podemos obtener proteínas que son estables y completamente libres de detergente en un sistema acuoso", dice Qing.
similitudes estructurales
En este estudio, los investigadores demostraron su técnica en cuatro proteínas que pertenecen a una clase de proteínas conocidas como receptores acoplados a proteínas G. Estas proteínas ayudan a las células a reconocer moléculas, como las hormonas o moléculas inmunes, llamadas quimiocinas, y desencadenarUna respuesta apropiada dentro de la célula.
Los investigadores todavía están trabajando para obtener las estructuras precisas de estas proteínas mediante cristalografía de rayos X o resonancia magnética nuclear RMN, pero realizaron algunos experimentos que sugieren que las estructuras son similares. En una, demostraron queLas proteínas se desnaturalizan a casi la misma temperatura que las versiones originales de las proteínas y también muestran que las proteínas modificadas se unen a las mismas moléculas diana a las que se unen las proteínas originales, aunque no con tanta fuerza.
La capacidad de sintetizar versiones solubles en agua de estas proteínas podría permitir nuevas aplicaciones, como sensores que pueden detectar contaminantes ambientales, dicen los investigadores.
Otra posibilidad es diseñar versiones solubles en agua de las proteínas que se unen a las moléculas normalmente expresadas por las células cancerosas, que podrían usarse para diagnosticar tumores o identificar células cancerosas metastásicas en muestras de sangre, dice Zhang. Los investigadores también podrían crear moléculas solubles en aguaen el que un receptor unido a la membrana al que normalmente se unen los virus se une a una parte de un anticuerpo. Si estas "terapias señuelo" se inyectaran en el cuerpo, los virus se unirían a los receptores y luego serían eliminados por el sistema inmunitario, que seríaactivado por la porción de anticuerpo.
La investigación fue financiada por los Laboratorios OH2 y el Consorcio MIT Center for Bits and Atoms, que incluye el Bay Valley Innovation Center.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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