Investigadores de las universidades Jaume I de Castellón y de Valencia han dibujado, mediante química computacional, el primer 'mapa cartográfico' que recoge la evolución de las enzimas durante las reacciones químicas. El avance, portada de la revista Nature Chemistry, ayudará a mejorar el diseño de fármacos y biocatalizadores.
La química computacional y sus simulaciones han permitido por primera vez dibujar el 'mapa cartográfico' de las enzimas durante el proceso de catálisis, incluido el momento en el que se encuentran en el punto de máxima energía en el camino desde reactivos a productos y que apenas dura un femtosegundo, la milbillonésima parte de un segundo.
Además el mapa es interactivo en el sentido de que relaciona los cambios que sufre la molécula con los movimientos de la proteína que la alberga. La relevancia del estudio desarrollado por investigadores de la Universidad Jaume I (UJI) de Castellón y la Universidad de Valencia (UV), le ha valido la portada de la revista Nature Chemistry, que hasta la fecha únicamente ha publicado 27 artículos con participación de científicos españoles.
“Si hacemos un símil con un mapa cartográfico, en un eje tendríamos una coordenada que representa la molécula que se está transformando y en el otro eje lo que se representa es lo que cambia la proteína que alberga y modifica esta molécula", explica Vicent Moliner, coordinador del grupo de Bioquímica Computacional de la UJI, en colaboración con el grupo de Efectos del Medio de la UV dirigido por Iñaki Tuñón.
Combinando esos datos puedes hacer una estimación cuantitativa de la flexibilidad de la proteína, cuánto se deforma, cuánta energía necesitas para deformar esa proteína para que genere la reacción que buscas, etc.”, añade el investigador
Hasta la fecha se podía tener información sobre la estructura inicial y final de la proteína, pero no se sabía cómo era en el estado de transición, en el denominado 'punto de máxima energía', que marca el nivel más alto de la barrera para pasar de un punto a otro.
“Conocer cómo evoluciona la proteína a medida que la reacción tiene lugar es ir un paso más allá, porque la proteína o determinados aminoácidos de la proteína también están participando de forma sincrónica con la rotura y formación de enlaces durante ese proceso que está siendo catalizado”, explica Moliner.
El simil de la montaña
Moliner establece un símil con la montaña, donde para pasar de un valle a otro se ha de conocer el punto más elevado por el que pasar: “En los valles la situación es estable, esas moléculas son estables y se pueden estudiar con técnicas experimentales (resonancia magnética nuclear, difracción de rayos X, etc.), pero las que están en el punto de máxima energía, en el punto más alto, están durante muy poco tiempo, y hasta ahora no se habían podido estudiar. Si conoces lo alta que es la barrera y cómo es, entonces puedes controlarla, intentar bajarla o incluso buscar un camino alternativo”.
Conocer el funcionamiento de las enzimas resulta clave para controlar los procesos químicos en los que intervienen estas biomoléculas, con infinidad de aplicaciones en medicina y la industria. Se trata de catalizadores que permiten que una reacción química que transcurre a una velocidad muy baja, y que en condiciones ambientales normales sería incluso prácticamente imposible, se produzca a gran velocidad.
En la industria para provocar estas reacciones se recurre a las altas temperaturas o altas presiones, lo que supone un elevado coste energético y repercusiones medioambientales. La biotecnología permite desarrollar biocatalizadores que generen estas reacciones de forma más económica, eficiente y sostenible.
“Si somos capaces de sintetizar un catalizador para que las reacciones que requieren altas temperaturas o presiones tengan lugar en condiciones naturales, a temperatura ambiente, supondría un gran ahorro económico y energético”, resalta el investigador.
En los seres vivos, las enzimas posibilitan ir de un punto a otro por un camino mucho más fácil. “Reacciones que se producen en los seres vivos en minutos o segundos, sin enzimas tardarían el tiempo equivalente a la vida de la Tierra, miles de millones de años”, señala. "Y en el campo de la medicina, tanto el desarrollo de nuevos catalizadores como el de inhibidores que bloqueen la acción de estas enzimas resultan claves".
“La quimioterapia, por ejemplo, lo que hace es bloquear las enzimas que favorecen la reproducción de células malignas, pero con unos importantes efectos secundarios. Un mayor conocimiento de las enzimas puede permitir bloquearlas de forma más selectiva y eficiente”, resalta Moliner, quien concluye: “Si conoces el funcionamiento enzimático estás en una posición privilegiada para controlar la mayoría de los procesos químicos”.
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha concedido la mitad de este galardón al bioquímico estadounidense David Baker por diseñar desde cero nuevas proteínas mediante su programa RoseTTAFold. La otra mitad la comparten el británico Demis Hassabis y el también estadounidense John M. Jumper, ambos de la empresa DeepMind de Google, que lograron predecir las estructura proteicas con IA.
Un estudio internacional con participación del CSIC ha demostrado que reemplazar un solo átomo en posiciones estratégicas de la secuencia genética puede revertir su dirección de rotación. Según los autores, el hallazgo podría convertirse en una importante diana terapéutica al desempeñar un papel importante en diversos procesos biológicos.
