05 de abril de 2001
Investigadores desarrollan nuevas proteínas en un tubo de ensayo
Para estudiar cómo evolucionaron las proteínas
funcionales, unos investigadores someten a un tipo de selección
natural en tubo de ensayo a proteínas obtenidas a partir de una
enorme biblioteca de 400 billones de secuencias aleatorias de ADN. Su
técnica de selección hizo que evolucionen
proteínas diferentes a cualquier otro tipo de proteínas
encontradas en la naturaleza. No obstante, las proteínas poseen
una característica clave de muchas enzimas-la habilidad de
reconocer y unir específicamente pequeñas
moléculas, tales como el común substrato biológico
ATP-.
Según los investigadores, el experimento ayuda a clarificar
cómo la evolución pudo haber seleccionado originalmente a
las proteínas que funcionan como enzimas y que realizan tareas
críticas en la célula.
“Asumimos que las primeras proteínas deberían provenir de secuencias aleatorias. Pero en realidad, no se sabe cuántas secuencias aleatorias pueden ser funcionales, así que no se sabe cuán fácil o cuán difícil es que surjan nuevas proteínas. Con este experimento, queríamos intentar darle un número aproximado al proceso-para ver si la evolución de nuevas proteínas era algo que podía suceder fácilmente y con frecuencia, o si era un acontecimiento increíblemente raro”.
Jack W. Szostak
En un artículo publicado en el número del 5 de abril
de 2001, de la revista Nature, el investigador del Instituto
Médico Howard Hughes, Jack W.
Szostak y su colega Anthony Keefe, ambos en el Hospital General de
Massachusetts, publicaron la creación una biblioteca aleatoria
de ADN, a partir de la cual obtuvieron seis billones de
proteínas. Cada una de las proteínas obtenidas de dicha
biblioteca de ADN, fue sometida a selección in vitro y se
evaluó su capacidad para unirse al ATP. El propósito del
experimento, dijo Szostak, era entender con qué frecuencia la
selección natural produciría proteínas que
pudieran plegarse para tomar una forma que les permitiera ser
funcionales.
"Asumimos que las primeras proteínas deberían provenir
de secuencias aleatorias", dijo Szostak. "Pero en realidad, no se sabe
cuántas secuencias aleatorias pueden ser funcionales, así
que no se sabe cuán fácil o cuán difícil es
que surjan nuevas proteínas. Con este experimento,
queríamos intentar darle un número aproximado al
proceso-para ver si la evolución de nuevas proteínas era
algo que podía suceder fácilmente y con frecuencia, o si
era un acontecimiento increíblemente raro-".
Keefe y Szostak eligieron la unión al ATP como criterio de
selección por dos motivos: porque es una actividad que se mide
fácilmente y porque antes habían realizado experimentos
similares con bibliotecas de ARN y querían poder comparar los
resultados.
Los investigadores comenzaron con un grupo de 400 billones de
secuencias aleatorias de ADN; primero quitaron aquellas secuencias de
ADN que contenían codones de terminación, que de otra
forma detendrían la síntesis proteica. Luego, manipularon
la biblioteca para producir secuencias de ADN que produjeran
proteínas que tendrían una longitud de 80
aminoácidos-longitud suficiente para producir una
proteína que pueda plegarse tomando una forma tridimensional
estable-.
Entonces, partiendo de las secuencias de ADN, Keefe y Szostak
produjeron los correspondientes ARN mensajeros (ARNm)-moléculas
que llevan la información genética del ADN a la
maquinaria productora de proteínas-. Diseñaron a estos
segmentos de ARNm para asegurarse que las proteínas producidas
siguieran unidas a sus ARNm. Esta unión permitió que los
científicos utilizaran métodos genéticos para
amplificar la información genética para las
proteínas raras que surgieron durante el proceso de
selección in vitro.
Durante el proceso de selección in vitro, los
investigadores lavaron las bibliotecas de proteínas con ARNm
fusionados a través de columnas que contenían ATP unido a
bolitas de plástico. Luego, los científicos recogieron
aquellas proteínas que unen ATP y convirtieron al ARNm unido en
ADN. Entonces, el ADN fue amplificado para producir más ARNm, de
modo que los procesos de síntesis y de selección de
proteínas pudieran ser repetidos. A través de sucesivas
rondas de selección in vitro, que también
incluyeron mutación de proteínas para alterarlas
levemente, los científicos desarrollaron artificialmente nuevas
proteínas que podían unirse firmemente al ATP.
"Con nueve rondas iniciales de selección, supimos que
teníamos proteínas que se estaban uniendo al ATP y que
descendían de cuatro moléculas originales", dijo Szostak.
"Pero no se unían al ATP eficientemente, así que
comenzamos a introducir mutaciones. Después de otras nueve
rondas de selección, todo lo que quedó había
descendido de una de las primeras moléculas".
"Y cuando observamos las cuatro secuencias originales, y más
atentamente a la secuencia optimizada superviviente, no vimos nada que
se asemeje a lo visto en la naturaleza, hasta dónde sabemos".
Szostak advirtió que cuando él y sus colegas determinen
las estructuras tridimensionales de las proteínas desarrolladas
artificialmente, probablemente vean, algunas estructuras que nos
recuerden a las enzimas naturales.
"Hicimos este experimento para ver si nos encontrábamos con
estructuras que se encontraran en la naturaleza o que fueran totalmente
diferentes, porque en realidad no conocemos a priori si la
naturaleza utiliza todas las estructuras posibles que podría
formar, o sólo un pequeño subconjunto de ellas", dijo
Szostak. "La metodología que utilizamos era la única
forma de conseguir una visión imparcial de lo que las
proteínas pueden hacer realmente". Al menos en este estadio
inicial de los estudios, dijo Szostak, pareciera que la naturaleza
pudiera optar por distintas estructuras proteicas de unión al
ATP.
"Lo sorprendente será si, a medida que hacemos más
experimentos, resulta haber muchas soluciones posibles para tal
problema bioquímico", dijo. "Sugeriría que la naturaleza
sólo utiliza un subconjunto pequeño de esas
posibilidades, quizás las primeras que evolucionaron por
casualidad".
"O, alternativamente, puede haber muchas opciones y las que
sobreviven quizás lo logren porque pueden ser optimizadas para
otras funciones, además de simplemente unirse al ATP". Por
ejemplo, dijo Szostak, la célula viva podría seleccionar
estructuras proteicas con ciertas cualidades de estabilidad o de
capacidad para interactuar con otras proteínas.
La investigación fue realizada gracias a subsidios de los
Institutos Nacionales de la Salud y del Instituto de
Astrobiología de la NASA.
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