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Biología estructural

Para entender a las proteínas

Una red reunió a 20 grupos que definieron la estructura y la función de 200 moléculas esenciales para los organismos

Representaciones de la estructura tridimensional de la proteína MpNEP2 (necrosis-and ethylene-inducing peptide 2), extraída del hongo causante de la escoba de bruja, obtenida con una línea de luz especial del LNLS. En la imagen mayor, la gradación de tonos de colores indica la secuencia de ovillado de la estructura de la proteína, de entrada en azul, y al final en rojo. En la imagen menor, las esferas de colores corresponden a los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno que constituyen la molécula

ANDRE AMBROSIO/LNBIO Representaciones de la estructura tridimensional de la proteína MpNEP2 (necrosis-and ethylene-inducing peptide 2), extraída del hongo causante de la escoba de bruja, obtenida con una línea de luz especial del LNLS. En la imagen mayor, la gradación de tonos de colores indica la secuencia de ovillado de la estructura de la proteína, de entrada en azul, y al final en rojo. En la imagen menor, las esferas de colores corresponden a los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno que constituyen la moléculaANDRE AMBROSIO/LNBIO

En 1989, el Moniliopthora perniciosa, un hongo originario de la cuenca amazónica, llegó a Bahía y se propagó por las plantaciones de cacao de la región de Ilhéus e Itabuna. Durante la década siguiente, la producción anual cayó de 320 mil toneladas a alrededor de 100 mil toneladas, derribando la participación de Brasil en el mercado internacional de un 15% a un 4%. La fuerza de la enfermedad es avasallante: el hongo invade las células del cacao, secreta proteínas que interactúan con otras proteínas de la planta y las ramas de ésta se secan y se hipertrofian. Este proceso fisiológico consume a los árboles y, en el caso de Bahía, también complica la vida de más de dos millones de personas. La solución para detener el avance de la enfermedad, desde el punto de vista de la ciencia, consiste en comprender la interacción entre el hongo y la planta.

En 2000, un consorcio encabezado por la Universidad de Campinas (Unicamp), con el apoyo de la gobernación de Bahía y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), mapeó el genoma del Moniliopthora perniciosa. Durante los años siguientes, un grupo de investigadores de la Unicamp, entre ellos Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, y Jorge Mondego, del Instituto Agronómico de Campinas (IAC), identificaron 27 proteínas del hongo con potencial para reducir o paralizar el efecto de la enfermedad en la planta.

Actualmente, esas 27 proteínas blanco constituyen el objeto del proyecto intitulado Estudios estructurales de proteínas claves para las enfermedades fúngicas del cacao: escoba de bruja y moniliasis. Desarrollo de una estrategia de control y comprensión de modelos de patogenicidad, aprobado en el ámbito de la Red de Biología Estructural en Temas Avanzados de Ciencias de la Vida, la SMOLBnet 2.0, lanzada por la FAPESP en 2010.

En rigor, esta red de investigación empezó a formarse en 2001, cuando la FAPESP apoyó la creación de la Red de Biología Molecular Estructural (SMOLBnet), integrada entonces por 20 grupos de investigación y constituida con la misión de expandir el conocimiento sobre los genes mapeados en el marco de los proyectos Genoma Humano del Cáncer, Genoma de la Caña y los genomas de las bacterias Xylella fastidiosa y Xanthomonas citri, entre otros. La misión abarcaba el estudio de la estructura tridimensional y la función de 200 proteínas, con el objetivo de comparar sus manifestaciones en células normales y en células enfermas y buscar pistas para nuevos diagnósticos y tratamientos.

La red SMOLBnet reunió a equipos de investigadores de laboratorios que ya realizaban la clonación del gen hasta su expresión en proteínas. Con la implementación del programa, pudieron también develar su estructura tridimensional. “La estructura de las proteínas se encuentra directamente ligada a su función. Por cierto, ésta define su función, y se erige en una información crucial para saber cómo actúan en los organismos vivos”, explica Rogério Meneghini, quien coordinó la red SMOLBnet desde su inicio hasta 2004, cuando asumió la coordinación científica del Programa Scielo, también apoyado por la FAPESP.

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Estos grupos pudieron contar con una herramienta poderosa: el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), en Campinas –el único de América Latina, abierto a la comunidad científica–, que, en ese entonces, además de una línea de luz sincrotrón de difracción de rayos X dedicada a la realización de cristalografía de macromoléculas, contaba con un laboratorio especializado en esa  modalidad de investigación, el Centro de Biología Molecular Estructural (Cebime) –inaugurado en 1999 y dirigido en la época por Mengenhini–, que disponía de equipos de resonancia magnética nuclear y espectrómetros de masas para la cristalización de proteínas.

El Cebime capacitó a biólogos, bioquímicos, químicos y médicos de los 20 laboratorios paulistas en las técnicas empleadas. “Nuestro objetivo era enseñarles el proceso de investigación de la forma tridimensional de las proteínas a los equipos de investigadores que a menudo se deparan con la necesidad de conocer la estructura de esas moléculas”, le comentó Meneghini al reportero Ricardo Zorzetto, en un reportaje publicado en la edición 113 da revista Pesquisa FAPESP, en julio de 2005.

La constitución de la red, explica Marie-Anne Van Sluys, del Instituto de Biociencias de la USP y coordinadora adjunta del área de ciencias de la vida de la FAPESP, instigó la formación de “masa crítica” en biología estructural, un área de investigación que logró reconocimiento en todo el mundo, fundamentalmente con base en los resultados de los proyectos Genoma. “La SMOLBnet constituye una especie de red de contactos que, poco a poco, ha ido adquiriendo movimiento autónomo”, dice.

Shaker Chuck Farah, bioquímico del Instituto de Química de la USP, estudió las proteínas implicadas en los sistemas de secreción y señalización entre bacterias. “Incorporé técnicas de la biología estructural en mi línea de investigación, conté con la supervisión de investigadores experimentados y capacité a otros”, comenta.

Decidido a investigar la forma espacial de proteínas con las cuales trabajaba desde hacía años, Sérgio Schenkman, con su equipo de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), detalló la estructura de dos proteínas del insecto transmisor del protozoo Trypanosoma cruzi, causante de la enfermedad de Chagas. Estas proteínas actúan en distintas fases de la coagulación de la sangre: una inhibe la acción de la trombina y otra impide el funcionamiento del factor XIIa. Ambas exhiben potencial de aplicación en el tratamiento de problemas provocados por el aumento de la coagulación de la sangre, como en los casos de trombosis (vea la ilustración).

En octubre de 2004, una evaluación internacional de los resultados de la SMOLBnet, llevada a cabo por una comisión independiente integrada por expertos del Instituto Pasteur, de Francia, de la Universidad de Oxford, Inglaterra, y del Laboratorio Nacional de Brookhaven, Estados Unidos, mostró que el esfuerzo había valido la pena. “El índice de éxito desde la obtención de clones hasta la determinación de las estructuras es comparable con el de otros proyectos internacionales”, afirmaron los expertos. Éstos recomendaron la instalación de una nueva línea de luz sincrotrón, dedicada a la cristalografía de macromoléculas para experimentos que requieran el uso de SAD/ MAD (Single and Multiple-wavelength Anomalous Diffraction), que quedó abierta a los usuarios en 2006.

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La formación de especialistas, como resultado de la operación de la red, permitió la constitución de la SMOLBnet 2.0, en 2010. En esa segunda convocatoria, el objetivo consistía en establecer asociaciones entre grupos de investigación en biología estructural y grupos de investigación en biología molecular. Se aprobaron 23 propuestas y, en esta oportunidad, no existe una coordinación general. “Los grupos se han emancipado y las investigaciones pueden estar vinculadas a los demás programas de la institución”, explica Van Sluys.

La investigación sobre el hongo Moniliopthora perniciosa que ataca al cacao es prueba de ello. El proyecto cuenta con la coordinación de André Ambrósio, del Laboratorio Nacional de Biociencias (LNBio). Junto con Sandra Dias y Ana Zeri, también del LNBio, Ambrósio se encarga de las investigaciones cuyo foco es la biología molecular estructural, mediante la combinación de técnicas de cristalografía, resonancia magnética nuclear, bioquímica y biofísica, con el objetivo de entender la patogenicidad de la enfermedad. El proyecto empezó con el estudio de las 27 proteínas blancos, identificadas por Gonçalo Guimarães Pereira y Jorge Mondego, y ha redundado en un artículo publicado en la revista Biochemistry en 2011. La estructura de otras diversas proteínas inicialmente propuestas ya ha sido dilucidada y ahora se las estudia funcionalmente. Y nuevas publicaciones se encuentran en preparación.

Por cierto, el LNBio tuvo origen en el Cebime. Constituido como laboratorio nacional en 2009, integra en la actualidad el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM) y opera las dos líneas de luz de cristalografía de macromoléculas del LNLS y un conjunto de equipamientos de apoyo a la investigación en biología molecular estructural.

Una vez determinadas las estructuras de las proteínas y definidos los mecanismos de acción, el paso siguiente del proyecto es el diseño racional de moléculas que permitan inhibir la acción de dichas proteínas, en este caso, con el apoyo de Rafael Guido, del Instituto de Física de São Carlos, y de Ronaldo Pilli, de la Unicamp, expertos en la identificación y en la síntesis de pequeñas moléculas respectivamente, según explica Ambrósio. “Estamos todavía intentando estudiar, desde el punto de vista estructural, una proteína asociada a la membrana mitocondrial de los hongos, un proceso desafiante que, por lo que se sabe, es inédito en Brasil hasta ahora”, añade Ambrósio.

El Proyecto
Structural Molecular Biology Network (Smolbnet); Coordinador Rogerio Meneghini – LNLS; Inversión R$ 13.036.329,12

Artículo científico
Zaparoli, G. et al. The Crystal Structure of Necrosis- and Ethylene-Inducing Protein 2 from the Causal Agent of Cacao’s Witches Broom Disease Reveals Key Elements for Its Activity. Biochemistry. v. 50, p. 9901-10, 2011.

De nuestro archivo
Mapeo de proteínas – Edición nº 65 – junio de 2001
Orfebrería Molecular – Edición nº 113 – julio de 2005

 

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