Parece haber una idea flotando entre algunos biólogos de
que es fácil recombinar los dominios de proteínas o pedazos de su estructura
para generar una nueva función. Supongo que llegaron a esa conclusión de tanto
de mirar dibujos simplificados de estructura proteicas, olvidandose de las
delicadas interacciones atómicas que son requeridas.
Para los que no son biólogos, permítanme explicar por qué
las proteínas no se recombinan fácilmente. Un pliegue de proteína normalmente
se compone de elementos estructurales más pequeños denominados hélices alfa o
láminas beta, con bucles que las conectan. Estos elementos adoptan un patrón
estereotipo de plegado debido a los patrones de unión de los hidrógenos entre
los aminoácidos. La siguiente ilustración de Axe (2010) muestra estos patrones
de unión de hidrógeno como líneas discontinuas rojas entre los aminoácidos
unidos. Para mayor claridad, las cadenas laterales de cada aminoácido se eliminaron,
mientras que la red principal está a todo color:
Debajo de cada hélice (a) o lámina (b) hay una forma
geométrica simplificada que ilustra cómo el elemento se ensambla y los bordes
que están disponibles para que haya una extensión (caras color magenta). Vemos
cada tipo de estructura de costado (a la izquierda) y frontal (a la derecha).
Es importante saber que las diferentes combinaciones de
aminoácidos pueden formar cada una de estos diferentes elementos —muchas
secuencias diferentes pueden formar hélices alfa o láminas beta. Como
resultado, cada hélice o lámina en particular
tiene un conjunto distinto de cadenas laterales que salen de ella, lo que implica
un conjunto distinto de interacciones químicas con cualquier otra secuencia
proteíca de las inmediaciones. Por lo tanto, las hélices y las hojas son
elementos estructurales dependientes de secuencia,
dentro de los pliegues de proteínas. Usted no puede pegarlos e intercambiarlos
por ahí como como si fuesen piezas de LEGO.
Esto necesariamente significa que cuando usted trae al
contacto nuevos elementos de estructura secundaria por algún tipo de
reestructuración será poco probable formar un un pliegue tridimensional estable
sin que hayan modificaciones significativas.
Las unidades de estructura secundaria se ensamblan en la
amplia gama de estructuras de proteínas que existen en la naturaleza, algunas
de las cuales se muestran a continuación en forma de dibujos. Las hebras beta
se muestran como flechas y las hélices aplanadas como bobinas. Recuerde, las
proteínas en realidad no se parecen a esto; más bien cuando son diagramadas de
esta manera se nos hace más facil hacer comparaciones entre estructuras.
El comportamiento contexto dependiente de los módulos
estructurales, como las hélices y las hojas, ha sido demostrado
experimentalmente. La regla general es que los módulos que funcionan como
unidades independientes, con poca interacción con otros elementos
estructurales, a veces pueden ser recombinados. Los módulos con múltiples
interacciones externas no pueden. Estos principios se ilustran en una serie de
experimentos utilizando la proteína beta lactamasa, una enzima que descompone
la penicilina en las bacterias resistentes a la penicilina.
En primer lugar voy a describir una serie de experimentos
que demuestran que la recombinación modular es posible, pero sólo en ciertas
circunstancias. Meyer y sus colaboradores identificaron bloques de secuencia
que deberían funcionar como módulos autónomos en tres enzimas beta lactamasa
naturales, utilizando un algoritmo de ordenador que analiza las superficies
exteriores de los módulos propuestos en lo que respecta a las interacciones de
la cadena lateral. Estas enzimas tenían entre 34 a 42% de similitud de
secuencia, lo que permitió que sus secuencias se alinien con cierta confianza.
A continuación, mezclaron y combinaron los módulos autónomos identificados de
estas enzimas produciendo enzimas quiméricas y las probaron para evaluar su
funcionalidad. Incluso con los sitios de empalme cuidadosamente diseñados, y
optima independencia de secuencia, cuatro de cada cinco quimeras no ha tenido
ninguna función detectable, y sólo una de cada diez tenían una función aproximada
a la de las enzimas naturales. Por lo tanto, incluso bajo las circunstancias
ideales de un diseño cuidadoso, la mayoría de las recombinaciones fallaron.
Otra evaluación de la modularidad fue informada por Doug
Axe, quien examinó si los principales dominios estructurales de las enzimas
beta lactamasas podrían ser intercambiados. En la imagen de abajo, la parte (A)
muestra la estructura del dominio de las dos enzimas beta lactamasas que
utilizó, con los dos dominios de cada proteína en diferentes colores. En (B)
las cadenas principales de los dominios similares de cada proteína están
alineadas la una con la otra para mostrar su similitud 3-D. Ambas enzimas
llevan a cabo exactamente la misma reacción química, pero tienen una similitud
en la secuencia de aminoácidos sólo en un 26%.
A pesar de la similitud estructural y funcional, los
dominios de las dos proteínas no son intercambiables. El intercambio de
dominios entre las enzimas destruye la actividad enzimática. ¿Por qué? Debido a
que el sitio activo de la enzima se encuentra en la interfaz entre los dos
dominios, y las interacciones de cadena lateral que sean sustancialmente
diferentes en la interfaz interrumpirían la función de la enzima quimérica. Así
que este es un caso en el que las extensas interacciones específicas de cadena
lateral evitan cualquier recombinación funcional entre los dominios.
Esta misma especificidad de secuencia se puede demostrar
incluso en el nivel de aminoácidos individuales. Valiendose de dos variantes de
beta lactamasa cuyas estructuras son casi idénticas (lo cual se muestra a
continuación), y cuyas secuencias son 50% idénticas, otro estudio realizado por
Axe intercambió aminoácidos no coincidentes pero posicionalmente equivalentes
entre las dos proteínas para ver si podían sustituir el uno al otro.
Como Doug Axe describe en su paper de 2010,
“Si los residuos alineados pero no coincidentes son parte de piezas equivalentes, entonces deberíamos ser capaces de sustituir libremente entre estos parentales equivalentes sin que exista deterioro. Sin embargo, cuando las secuencias de proteínas fueron parcialmente aleatorizadas de esta manera, incluso de una forma tal que los híbridos fueron aproximadamente el 90% idénticos a uno de los parentales, ninguno de ellos tenía función detectable”.
En otras palabras, incluso si sólo el 10% de los residuos
no coincidentes se cambiase, la enzima híbrida resultante ya no funcionará.
¿Por qué? Debido a que la sustitución de diferentes aminoácidos en la
estructura de la proteína existente desestabilizó el pliegue, a pesar de que
esos mismos aminoácidos han funcionado bien en otro contexto. Por lo tanto, la
secuencia de aminoácidos de cada proteína funciona como un todo para ayudar a
generar un pliegue estable adecuado, y de una manera dependiente del conctexto.
Así que tenemos efectos contexto dependientes en el
funcionamiento de las proteínas a nivel de estructura primaria, estructura
secundaria y estructura terciaria (nivel de dominio). Esto no es un buen
augurio de éxito para la recombinación aleatoria de bits de secuencia a fin de
producir pliegues estables y funcionales en las proteínas, o incluso para
recombinaciones de nivel de dominio en las que se requiere un grado de
interacción bastante significativo.
Autor: Ann Gauger - Recibio la Licenciatura en Biología del Instituto Tecnológico de Massachusetts y un Doctorado en Biología del Desarrollo de la Universidad de Washington. Tambien realizó un trabajo post-doctoral en Harvard. Actualmente trabaja en el Biologic Institute. En su trabajo utiliza biología molecular e ingeniería genética para estudiar el origen, la organización y el funcionamiento de las vías metabólicas.
Traductor: Daniel Alonso - Estudia Licenciatura en Ciencias Biológicas en UNT, Argentina.
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