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Ciencia

Sobre forma y función

Dos nuevos aparatos catapultan a Brasil hacia la vanguardia en el estudio de la estructura y la acción de las proteínas

eduardo cesar Sensibilidad y alta resolución: los espectrómetros del LNLS permiten identificar la secuencia de los aminoácidoseduardo cesar

Este año el Premio Nobel de Química fue para dos médicos y un bioquímico que descubrieron de qué manera las células desarman y reaprovechan sus proteínas viejas o defectuosas. En 2002, un químico y un ingeniero dividieron otro Nobel de Química por perfeccionar dos técnicas que permitieron el análisis de las proteínas: la espectrometría de masa, hoy en día esencial en el área. No es de extrañar que uno de los más importantes galardones de la ciencia a nivel mundial haya reconocido recientemente, y dos veces, el valor del estudio de esas moléculas abundantes en cualquier microorganismo, animal o planta.

En los últimos cinco años, y luego del secuenciamiento del genoma de casi 150 organismos, la identificación de la estructura, la función y los modos de interacción de estas moléculas codificadas por los genes se convirtió en prioridad mundial, debido a que representa un camino aparentemente seguro para entender en detalle las reacciones químicas que mantienen a los organismos vivos o los hacen perecer. De este conocimiento se espera obtener formas más eficaces en el combate contra las enfermedades – una simple gripe o una plaga agrícola – o incluso de prolongar la vida. Es un mundo inmenso, cuya exploración solo está comienzando.

El Protein Data Bank, una base de datos específica sobre proteínas, almacena informaciones referentes a la estructura de aproximadamente 25 mil de estas moléculas de plantas, animales y microorganismos. Es poco, si se lo compara por ejemplo con el número de proteínas humanas, estimadas en entre 100 mil y un millón. En la actualidad no pasa una semana sin que las proteínas ocupen un lugar destacado en revistas científicas de primera línea – a mediados de septiembre, por ejemplo, 20 de los 51 estudios publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences abordaban directa o indirectamente trabajos con estas moléculas.

Pese a no contar con un proyecto unificado como el Genoma Humano, que reunió a decenas de laboratorios en el secuenciamiento del material genético de nuestra especie, el estudio de las proteínas avanza rápidamente en Europa y Estados Unidos – y también en Brasil. Por acá existen alrededor de 200 grupos de investigación en el área, denominada proteómica, que han cobrado impulso con la entrada en operación de dos nuevos artefactos en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) de Campinas.

Con estas nuevas máquinas, que determinan la secuencia de los bloques constitutivos de las proteínas – los aminoácidos -, Brasil pasa a integrar el selecto grupo de países que poseen la tecnología necesaria para analizar en detalle la estructura de las proteínas. Instalados en julio de 2003, los nuevos aparatos del LNLS – dos espectrómetros de masa adquiridos por valor total de 1,3 millones de dólares, financiados por la FAPESP – fueron habilitados en septiembre para su uso por parte de grupos de investigación de cualquier estado del país, siempre y cuando las propuestas de trabajo cuenten con la aprobación del LNLS y los resultados se compartan con otros grupos.

Los seleccionados
Del primer lote de 51 propuestas de uso de estos equipos, el LNLS seleccionó 20, elaboradas por grupos de investigación de cuatro estados: São Paulo, Río de Janeiro, Ceará y Río Grande do Sul. Son proyectos dedicados al análisis de proteínas de microorganismos causantes de enfermedades en plantas, como la Xylella fastidiosa, que ataca a los naranjales, o en animales, como es el caso de las bacterias Mycoplasma hyopneumoniae, una de las causantes de la neumonía; de la Leptospira interrogans, el agente etiológico de la leptospirosis, y del protozoo Trypanosoma cruzi, responsable del mal de Chagas. Los equipos seleccionadas tienen plazo hasta diciembre para investigar también las proteínas asociadas al desarrollo de tumores y a la activación y desactivación de genes (vea la lista en www.revistapesquisa.fapesp.br). En enero próximo, el LNLS emitirá un llamado destinado a la selección del segundo lote de propuestas.

“Es evidente que no nos encontramos al mismo nivel de países como Estados Unidos e Inglaterra, en los cuales el uso de los espectrómetros de masa está bastante difundido, pero somos pioneros en América Latina en la investigación de proteínas”, comenta el bioquímico Rogerio Meneghini, que dirigió el Centro de Biología Estructural del LNLS hasta febrero de este año y actualmente coordina los proyectos del laboratorio. “Nuestro objetivo es consolidar o formar grupos de excelencia en proteómica, del mismo modo que existen hoy en día equipos de primera línea en genómica en Brasil”.

Según Meneghini, de todos los grupos del área existentes en el país, alrededor de 40 estarán en algunos años más en condiciones de competir internacionalmente, con descubrimientos relevantes sobre la estructura de las proteínas, la vertiente que explica cómo estas moléculas interactúan entre sí o con otras. Es un número similar al de laboratorios hoy en día capacitados para hacer el secuenciamiento y el análisis de genes.

Es fácil entender por qué los investigadores se sienten atraídos por las proteínas, cuya importancia se extiende mucho más allá del sentido común – la de ser los principales componentes de alimentos tales como la carne, la soja y la leche. Son estas moléculas las que forman y mantienen en funcionamiento a las células y a los tejidos de los seres vivos, donde se encuentran en cantidades considerables, si se las compara con otros tipos de moléculas: corresponden a alrededor de un 30% de la masa de los músculos o del hígado, por ejemplo.

Sus papeles varían de acuerdo con la situación y el lugar en que se encuentran. Las proteínas pueden actuar como transportadoras, y al igual que los cargadores de maletas de los aeropuertos, llevar compuestos de afuera hacia adentro de las células, envueltas por membranas constituidas por lípidos, azúcares y otros tipos de proteínas. En otras ocasiones éstas funcionan como una especie de antena, captando informaciones enviadas por células vecinas. También participan en las reacciones químicas que resultan en la producción de energía, en la formación de la memoria, en fin, del control del organismo como un todo. Son las obreras – siempre alertas – de los seres vivos. En una situación de peligro, es una proteína que funciona como hormona, la adrenalina, quien hace que el corazón se dispare, abasteciendo a los músculos con más sangre y preparando así al cuerpo para la lucha o para la huida.

Peor no ha sido ahora que los investigadores brasileños han entrado en este laberinto. En los últimos cinco años, los laboratorios nacionales comenzaron a importar los primeros espectrómetros de masa, que suman una decena en el país. Se encontraban en laboratorios como el del biólogo Carlos Bloch Junior, de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa, sigla en portugués) de Brasilia, del químico Mario Sergio Palma, de la Universidad Estadual Paulista de Río Claro, y de Lewis Greene, de la Universidad de São Paulo (USP) de Ribeirão Preto. Contaban también con estos equipos los bioquímicos Antonio Carlos de Camargo, del Instituto Butantan, y José Camillo Novello, de la Universidad Estadual de Campinas. En la USP de São Paulo, el farmacólogo Gilberto De Nucci y el parasitólogo Igor de Almeida tenían espectrómetros de masa, también existentes en los laboratorios de los biofísicos Luiz Juliano Neto, de la Universidad Federal de São Paulo, y Paulo Bisch, de la Universidad Federal de Río de Janeiro.

“Estos primeros equipos son poderosos, pero la sensibilidad y la precisión de los espectrómetros de masa para el estudio de proteínas aumenta día a día”, explica Meneghini. Según éste, los nuevos aparatos del LNLS harán posible el estudio de proteínas mayores, con posibilidad de determinar la secuencia de los aminoácidos que las forman.

Acción complementaria
Sin embargo, para dar este salto, Meneghini y Bloch trabajaron durante alrededor de un año en la selección, la compra y el ensamble de los espectrómetros. Adoptaron para ello tres criterios básicos: los aparatos deberían tener gran sensibilidad para detectar proteínas en muestras de milmillonésimos de gramo de material biológico; una resolución que hiciera posible la identificación de cada uno de los aminoácidos, que tienen masas muy próximas, y suministrar los resultados rápidamente – uno de los instrumentos analiza mil muestras por hora.

“Aún en la fase de selección”, comenta Bloch, “llevamos muestras de proteínas de la bacteria Xanthomonas citri para que las prueben los cuatro fabricantes de espectrómetros que con representantes en el país, para comparar la sensibilidad y la precisión de los instrumentos”. Por cierto, es del propio Bloch el primer estudio científico que contempló la utilización de los nuevos aparatos: un análisis de la proteína hylaseptina P1. Extraída de la secreción de la piel de la Hyla punctata, una rana de color verde vivo hallada en la Amazonia, la hylaseptina actúa contra bacterias causantes de infecciones hospitalarias, como la Staphylococcus aureus y la Pseudomonas aeruginosa, o un hongo, el Candida albicans, que se manifiesta en personas inmunodeprimidas, como lo demuestra un estudio publicado en marzo de este año en el Journal of Biological Chemistry.

Los dos equipos del LNLS son ligeramente diferentes – la ventaja radica en que uno complementa la lectura del otro. Uno de ellos aplica una descarga eléctrica en las proteínas y las fragmenta en partes cargadas eléctricamente, que son luego identificadas de acuerdo con su masa. A esta técnica se la conoce como Electrospray Q/TOF, y se la emplea en el estudio de moléculas solubles en agua, como la hemoglobina, la proteína que transporta el oxígeno y le otorga su coloración roja a la sangre.

El otro aparato dispara un láser sobre las proteínas almacenadas en un cristal, que así se cargan eléctricamente. Mediante esta técnica, denominada Maldi-TOF/TOF, se pueden evaluar las estructuras de proteínas encontradas en las membranas de las células. “Conocer la estructura de estas moléculas es esencial para encontrar nuevas formas de combatir diversas enfermedades, puesto que la membrana de un parásito funciona como órgano sensorial, y permite por ejemplo que éste reconozca a su célula hospedadora”, explica Bloch.

La principal ventaja con relación a los espectrómetros existentes en el país consiste en que los equipos recién instalados en Campinas – bajo los cuidados del químico Fabio Cesar Gozzo, coordinador del Laboratorio de Espectrometría de Masas del LNLS – identifican a cada uno de los aminoácidos que componen una proteína y la secuencia en que se encajan para formarla. De este modo, se puede hacer más fácil diseñar moléculas de medicamentos que se encajen con precisión en una determinada proteína e impidan el surgimiento de un cáncer o la acción de bacterias como la Xylella fastidiosa o la Xanthomonas citri, por ejemplo. Estas bacterias actualmente son tenidas como plagas de los naranjales. Será un avance de fuste. “Es como si hasta ahora hubiésemos intentado armar un rompecabezas con los ojos vendados, tanteando en la oscuridad para encajar una pieza aquí, otra más allá, y verificar si un fármaco funciona en el combate contra una determinada enfermedad”, compara Glaucius Oliva, coordinador del Instituto de Física de la USP de São Carlos y director del Centro de Biología Molecular Estructural, uno de los diez Centros de Investigación, Innovación y Difusión financiados por la FAPESP. Con la estructura de las proteínas en manos, los investigadores pasan ahora entonces a trabajar sin la venda en los ojos.

Pero muchos son reacios a meterse en el mundo de las proteínas. Y no es porque sí. “Por más interesados que estén, los biólogos consideran que el tema es demasiado complejo, mientras que los químicos creen que las proteínas son moléculas demasiado grandes”, comenta Bloch. El reto intimida incluso los más experimentados, quizás por ser superior al que han enfrentado hasta el momento en el secuenciamiento de diversos genomas. Aunque los genes contengan las recetas de las proteínas, el conocer el conjunto de genes – el genoma – de un organismo no es suficiente como para saber cómo éstas son, ni cómo actúan. Además, cada gen puede originar más de una proteína.

Estructuras distintas
Son cosas muy diferentes. Los genes son tramos específicos de la molécula de ADN – el ácido desoxirribonucleico, el material genético de las células. Tienen la forma de largas secuencias de cuatro pequeñas moléculas, conocidas por las letras A, T, C y G (adenina, timina, citosina y guanina, respectivamente). En tanto, las proteínas son moléculas mucho más complejas, compuestas por largas secuencias de 20 diferentes tipos de aminoácidos, con lo que resultan en conjuntos de decenas a miles de unidades – la insulina, la enzima que facilita la entrada de azúcar en las células, está compuesta tan solo por 51 aminoácidos, mientras que la miosina, una de las principales proteínas de los músculos, congrega en su estructura alrededor de 1.800 de esos bloques.

Otra distinción fundamental: mientras que la molécula de ADN asume siempre la forma de una escalera en espiral o de doble hélice, tal como lo descubrieran James Watson y Francis Crick en 1953, las proteínas pueden tener formas muy distintas – variando de un pequeño globo a un bumerang, por ejemplo. Hay también otro factor de complicación: apenas dejan el interior de las células donde se las fabrica, las proteínas pueden asociarse a azúcares y grasas, formando complejos mayores aún – la glucoproteína CD 44 funciona como una especie de cemento celular, manteniendo a las células cerca. En el caso de las proteínas, esta estructura tridimensional marca la gran diferencia, puesto que la forma está directamente ligada a la función que ésta es capaz de ejecutar.

El Proyecto
Proteomics Studies at the São Paulo State
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
Fabio Cesar Gozzo – LNLS
Inversión
R$ 5.391.153,26

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