Construcción de enzimas a partir de la nada

Las enzimas son los catalizadores (aceleradores) de la naturaleza y, sin ellas, tareas biológicas vitales como convertir azúcar en energía o como la replicación del ADN les llevaría a las células un tiempo mil millones o incluso billones de veces mayor. Los investigadores han intentado por mucho tiempo imitar la eficacia de la naturaleza para crear enzimas que aceleren procesos industriales lentos en la producción de productos farmacéuticos y de combustibles. La complejidad de las moléculas, sin embargo, ha obstaculizado sus esfuerzos.
El equipo conducido por el grupo del HHMI aprovechó su comprensión de las reglas básicas que gobiernan la función de proteínas para superar los problemas y para crear a partir de la nada dos enzimas artificiales y funcionales.
Al igual que otras proteínas, las enzimas se construyen a partir de largas cadenas de aminoácidos. A medida que se sintetiza una proteína, se pliega espontáneamente en una forma tridimensional precisa.
La forma de una enzima es crítica para su función porque crea una hendidura llamada sitio activo formado específicamente para unir la molécula diana de la enzima. Una vez que la molécula diana se une, los átomos que revisten el sitio activo interactúan con esa molécula -por ejemplo, cortar una molécula de almidón en moléculas individuales de glucosa-. Si no encaja de forma precisa, la enzima no funciona.
La predicción de la forma que tomará una dada cadena de aminoácidos es una especialidad de Baker. Para hacer las predicciones, el equipo de Baker utilizó Rosetta, que es un programa computacional que ellos mismos desarrollaron para modelar las interacciones atómicas que gobiernan la forma de proteínas. Sin embargo, dijo Baker, “los cálculos involucrados requieren la utilización de computadoras por largos períodos de tiempo”. Tanto tiempo es necesario, que Baker necesita acceso a miles de computadoras.
Por lo tanto, Baker creó Rosetta@home, una comunidad en Internet que aparea Rosetta a la Infraestructura Abierta de Berkeley para Computación en Red (BOINC, por sus siglas en inglés). BOINC reparte los cálculos en pedazos manejables y envía esos pedazos a un ejército de voluntarios alrededor del mundo que donan tiempo cuando sus computadoras están inactivas al plegamiento de proteínas. Hoy, Rosetta@home tiene casi 190.000 miembros.
Para el proyecto del diseño de enzimas, el equipo de Baker, diseñó sitios activos que pensaban acelerarían las reacciones químicas. Entonces utilizaron la red Rosetta@home para encontrar secuencias de aminoácidos que se plegarían para producir esos sitios activos. Después de ese primer paso, crearon genes reales que codificaban esas secuencias de aminoácidos y las insertaron en bacterias para ver si las proteínas que producían aceleraban sus reacciones.
Según Baker, las enzimas funcionaron, aunque no tan bien como las encontradas en la naturaleza. Entonces, tomaron una de las enzimas y la forzaron a evolucionar. Trabajando con un tubo de ensayo, crearon miles de versiones de la enzima con mutaciones al azar. Por casualidad, algunas de estas mutaciones aceleraron la enzima. Según Baker, varias rondas de “evolución dirigida” mejoraron la velocidad de la enzima unas 200 veces, y el análisis de los cambios ayudará a que el equipo ajuste sus modelos computacionales para proyectos futuros.

Fuente: HHMI