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El análisis de los núcleos de las proteínas revela diferencias fundamentales entre las estructuras cristalinas y en solución

Biotecnología

Las matemáticas facilitan la medición de la forma de las proteínas

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Analizar la diferencia en los resultados obtenidos a partir de las dos formas de determinar la estructura de la proteína ofrece nueva información sobre uno de los grandes desafíos de los biólogos moleculares

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Ana Milutinovic
  • 17 Septiembre, 2019

Las proteínas son los componentes básicos de la vida. Se trata de largas cadenas de aminoácidos que se combinan entre sí para formar máquinas moleculares de extraordinaria complejidad. Estas máquinas incluyen los ribosomas, los esqueletos tipo andamio llamados microtúbulos y los motores para caminar con forma de piernas llamadas kinesinas, entre muchos otros.

Este proceso autoorganizado es una de las grandes maravillas de la ciencia moderna, y su funcionamiento es casi como si unas piezas de Lego se ensamblaran repentinamente para dar lugar a un robot. Nadie está muy seguro de cómo sucede esto, pero los científicos saben que la forma de la estructura resultante determina la función de la proteína y su interacción con otras proteínas.

Por lo tanto, analizar la forma de las proteínas resulta crucial. El método más común para hacerlo consiste en formar cristales a partir de proteínas y utilizar la cristalografía de rayos X para determinar la estructura de las proteínas. Pero la mayoría de las proteínas no forman cristales. E incluso cuando lo hacen, es posible que no todas las moléculas de proteínas tengan la misma forma mientras se juntan, lo que puede producir errores.

Existe otra técnica, llamada resonancia magnética nuclear (RMN). Consiste en crear imágenes de proteínas en solución, pero requiere que estén bien agrupadas. Y del mismo modo, solo unas pocas proteínas pueden hacerlo.

Sin embargo, una pequeña fracción de proteínas puede observarse con ambas técnicas. Eso es útil porque permite a los biólogos moleculares comparar las estructuras que produce cada técnica. Y resulta que las estructuras analizadas mediante cada técnica difieren bastante. Todavía no está del todo claro qué provoca las diferencias ni cómo interpretarlas.

Por eso, la investigadora de la Universidad de Yale en New Haven (EE. UU.) Zhe Mei y sus colegas, han medido la diferencia en las estructuras de las proteínas determinadas por cristalografía de rayos X y la RMN. Gracias a esto, el equipo ha descubierto por qué surge la diferencia y cómo corregirla.

Primero, crearon una base de datos de proteínas con estructuras determinadas por ambas técnicas en alta resolución. La lista resultó ser relativamente pequeña: solo 16 proteínas en total.

Después, elaboraron otra base de datos con las estructuras de proteínas de cristalografía de rayos X determinadas por varios grupos diferentes a distintas temperaturas. Esto les permitió estudiar cómo la temperatura influye en la estructura. Luego crearon un modelo matemático con la forma en la que las proteínas se unen para formar cristales sólidos o en solución para la RMN.

Resulta que la densidad de la unión explica exactamente la diferencia en la estructura de ambas técnicas, ya que los grupos en solución tienen una densidad más alta que los cristales. La investigación afirma: "Identificamos la base física de estas diferencias al modelar los núcleos de las proteínas como un conjunto abarrotado de partículas en forma de aminoácidos".

También pueden ajustar su modelo matemático cambiando la energía térmica utilizada para generar los conjuntos. De hecho, el grupo de proteínas que no está influenciado por la temperatura tiene aproximadamente la misma densidad que las estructuras determinadas por la cristalografía de rayos X.

Esto sugiere que la temperatura juega un papel importante en la estructura de las proteínas, ya que las determinadas por la RMN son más densas. La investigación continúa: "Estos resultados indican que los sistemas térmicos pueden juntarse de forma más densa que los sistemas atérmicos, lo que sugiere una base física para las diferencias estructurales entre las estructuras de proteínas vistas por la RMN y por la cristalografía de rayos X".

Sin embargo, la temperatura no es el único factor de influencia. Las proteínas de las estructuras cristalinas se ven obligadas a tomar una determinada forma, y esto reduce la cantidad de distorsión térmica que puede sufrir la molécula. Entonces, el resultado de Mei y sus colegas plantea una pregunta interesante: ¿hasta qué punto la estructura de las proteínas es el resultado de la temperatura o de la organización de cristales? Eso tendrá que ser analizado en un segundo trabajo.

Ref: arxiv.org/abs/1907.08233: Analyses Of Protein Cores Reveal Fundamental Differences Between Solution And Crystal Structures

Biotecnología

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