La naturaleza tiene una receta establecida para producir proteínas.
Los trillizos de letras del ADN se traducen en 20 moléculas llamadas aminoácidos. Estos componentes básicos se unen luego de diversas formas para formar la vertiginosa variedad de proteínas que componen todos los seres vivos. Las proteínas forman los tejidos corporales, los revitalizan cuando están dañados y dirigen los intrincados procesos que mantienen el funcionamiento interno de nuestro cuerpo funcionando como máquinas bien engrasadas.
El estudio de la estructura y la actividad de las proteínas puede arrojar luz sobre las enfermedades, impulsar el desarrollo de fármacos y ayudarnos a comprender procesos biológicos complejos, como los que funcionan en el cerebro o el envejecimiento. Las proteínas también se están volviendo esenciales en contextos no biológicos, como por ejemplo en la fabricación de biocombustibles respetuosos con el clima.
Sin embargo, con sólo 20 bloques de construcción moleculares, la evolución esencialmente puso un límite a lo que las proteínas pueden hacer. Entonces, ¿qué pasaría si pudiéramos ampliar el vocabulario de la naturaleza?
Al diseñar nuevos aminoácidos que no se ven en la naturaleza e incorporarlos a células vivas, las proteínas exóticas podrían hacer más. Por ejemplo, agregar aminoácidos sintéticos a medicamentos basados en proteínas, como los de inmunoterapia, podría modificar ligeramente su estructura para que duren más en el cuerpo y son más efectivos. Las nuevas proteínas también abren la puerta a nuevas reacciones químicas que mastican plásticos o materiales más fácilmente degradables con diferentes propiedades.
Pero hay un problema. Los aminoácidos exóticos no siempre son compatibles con la maquinaria de una célula.
Un nuevo estudio in Naturaleza, dirigido por el Dr. Jason Chin, experto en biología sintética, en el Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica en Cambridge, Reino Unido, acercó un poco más el sueño. Utilizando una pantalla molecular recientemente desarrollada, encontraron e insertaron cuatro aminoácidos exóticos en una proteína dentro de las células bacterianas. Una de las favoritas de la industria para producir insulina y otros medicamentos a base de proteínas, la bacteria aceptó fácilmente los exóticos componentes básicos como propios.
Todos los componentes recién agregados son diferentes de los naturales de la célula, lo que significa que las adiciones no interfirieron con las funciones normales de la célula.
"Es un gran logro convertir estas nuevas categorías de aminoácidos en proteínas", dijo el Dr. Chang Liu de la Universidad de California, Irvine, que no participó en el estudio. les dijo a Ciencia:.
Un punto muerto sintético
Agregar aminoácidos exóticos a un ser vivo es una pesadilla.
Imaginemos la célula como una ciudad, con múltiples “distritos” que desempeñan sus propias funciones. El núcleo, con forma de hueso de albaricoque, alberga nuestro modelo genético registrado en el ADN. Fuera del núcleo, se producen fábricas de proteínas llamadas ribosomas. Mientras tanto, los mensajeros de ARN zumban entre los dos como trenes de alta velocidad transportando información genética para convertirla en proteínas.
Al igual que el ADN, el ARN tiene cuatro letras moleculares. Cada combinación de tres letras forma una "palabra" que codifica un aminoácido. El ribosoma lee cada palabra y convoca el aminoácido asociado a la fábrica utilizando moléculas de ARN de transferencia (ARNt) para aferrarse a ellas.
Las moléculas de ARNt están hechas a medida para captar aminoácidos concretos con una especie de "pegamento" proteico muy específico. Una vez introducido en el ribosoma, el aminoácido se extrae de su molécula portadora y se une formando una cadena de aminoácidos que se enrolla en intrincadas formas proteicas.
Es evidente que la evolución ha establecido un sistema sofisticado para la fabricación de proteínas. No sorprende que añadir componentes sintéticos no sea sencillo.
En la década de 1980, los científicos encontró una manera de unir aminoácidos sintéticos a un portador dentro de un tubo de ensayo. Más recientemente, han incorporado aminoácidos no naturales en proteínas dentro de las células bacterianas secuestrando sus propias fábricas internas sin afectar la función celular normal.
Más allá de las bacterias, Chin y sus colegas previamente ARNt pirateado y su “pegamento” correspondiente, llamado ARNt sintetasa, para agregar una proteína exótica a las células cerebrales de ratón.
Volver a cablear la maquinaria de producción de proteínas de la célula, sin romperla, requiere un delicado equilibrio. La célula necesita portadores de ARNt modificados para capturar nuevos aminoácidos y arrastrarlos al ribosoma. Luego, el ribosoma debe reconocer el aminoácido sintético como propio y unirlo para formar una proteína funcional. Si cualquiera de los pasos falla, el sistema biológico diseñado falla.
Ampliando el código genético
El nuevo estudio se centró en el primer paso: diseñar mejores portadores para aminoácidos exóticos.
El equipo primero mutó genes para la proteína "pegamento" y generó millones de posibles versiones alternativas. Cada una de estas variantes podría potencialmente apoderarse de bloques de edificios exóticos.
Para reducir el campo, recurrieron a moléculas de ARNt, portadoras de aminoácidos. Cada portador de ARNt fue etiquetado con un fragmento de código genético que se adhirió a proteínas "pegantes" mutadas como un anzuelo de pesca. El esfuerzo encontró ocho pares prometedores entre millones de estructuras potenciales. Otra pantalla se centró en un grupo de proteínas "pegantes" que podían adherirse a múltiples tipos de componentes básicos de proteínas artificiales, incluidos aquellos muy diferentes de los naturales.
Luego, el equipo insertó genes que codifican estas proteínas en Escherichia coli células de bacterias, una de las favoritas para probar recetas de biología sintética.
En total, ocho proteínas "pegantes" cargaron con éxito aminoácidos exóticos en la maquinaria natural de producción de proteínas de la bacteria. Muchos de los componentes básicos sintéticos tenían estructuras extrañas que generalmente no eran compatibles con los ribosomas naturales. Pero con la ayuda de ARNt modificado y proteínas "pegantes", los ribosomas incorporaron cuatro aminoácidos exóticos en nuevas proteínas.
Los resultados “amplían el alcance químico del código genético” para fabricar nuevos tipos de materiales, explicó el equipo en su artículo.
A Whole New World
Los científicos ya han encontrado cientos de aminoácidos exóticos. Es probable que los modelos de IA como AlphaFold o RoseTTAFold, y sus variaciones, generen aún más. Encontrar portadores y proteínas “pegantes” que coincidan siempre ha sido un obstáculo.
El nuevo estudio establece un método para acelerar la búsqueda de nuevas proteínas de diseño con propiedades inusuales. Por ahora, el método sólo puede incorporar cuatro aminoácidos sintéticos. Pero los científicos ya están imaginando usos para ellos.
Los fármacos proteicos elaborados a partir de estos aminoácidos exóticos tienen una forma diferente a la de sus homólogos naturales, lo que los protege de la descomposición dentro del cuerpo. Esto significa que duran más y reduce la necesidad de múltiples dosis. Un sistema similar podría producir nuevos materiales como el plástico biodegradable que, al igual que las proteínas, también se basa en unir componentes individuales.
Por ahora, la tecnología se basa en la tolerancia del ribosoma a aminoácidos exóticos, que pueden ser impredecibles. A continuación, el equipo quiere modificar el propio ribosoma para tolerar mejor los aminoácidos extraños y sus portadores. También están buscando crear materiales similares a proteínas hechos completamente de aminoácidos sintéticos, que podrían aumentar la función de los tejidos vivos.
"Si se pudiera codificar el conjunto ampliado de componentes básicos de la misma manera que lo hacemos con las proteínas, entonces podríamos convertir las células en fábricas vivas para la síntesis codificada de polímeros para todo, desde nuevos fármacos hasta materiales". dijo Chin en una entrevista anterior. "Es un campo súper emocionante".
Crédito de la imagen: Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas, Institutos Nacionales de Salud
- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
- PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
- PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
- PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
- PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
- Fuente: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/
