Historia evolutiva de las proteínas

Bruno De Angelis: Departamento de Materiales Didácticos, Editorial de la Universidad Nacional de Quilmes.

Científicos de la Universidad Nacional de Quilmes y La Plata reproducen mediante computadoras la historia evolutiva de familias de proteínas.

La evolución en movimiento

Puestos a comparar, sin mucho rigor por cierto, el hombre (y las proteínas) evolucionaron a lo largo del tiempo adaptándose a los cambios exigidos por el medio ambiente: la postura erecta y el bipedalismo permitieron a los homínidos hacer determinadas tareas que de otra manera no habrían podido realizar. Las proteínas, por su parte, evolucionaron y se adaptaron a nuevas circunstancias también.

Es posible seguir los pasos de esa evolución relacionando la manera en que se mueven sus átomos con la función biológica que realiza cada una de ellas. Pues bien, a esa específica tarea de conjugar movimiento y función de proteínas a lo largo del tiempo se dedican Sandra Maguid, Sebastian Fernandez-Alberti, Leticia Ferrelli y Julian Echave de la Universidad Nacional de Quilmes (UNQ) y La Plata (UNLP). La idea es explorar el movimiento global de las proteínas que tienen una misma estructura pero distintas funciones y secuencias en su formación.

Cuestión de familia

La evolución –en un sentido amplio– comprende los cambios que se producen en las características de los organismos en períodos largos de tiempo, esto incluye tanto la dimensión temporal como la noción de cambio. Ahora bien, si en lugar de evolución en general se habla de evolución molecular, se está hablando entonces del desarrollo y cambio de moléculas y más concretamente de los ácidos nucleicos (el ADN y el ARN que constituyen el material hereditario, y por tanto los genes) y de las proteínas (que son el producto primario de la expresión de estos genes).

El tema es así: las proteínas son moléculas que desempeñan una amplia gama de actividades vitales en las células. Están compuestas por cadenas (secuencias) de moléculas más pequeñas, los aminoácidos, que son las unidades de construcción con que se arman las proteínas y que ofician de “bloques” con los que el organismo reconstituye permanentemente las proteínas que se “gastan” en la diaria y ardua tarea de vivir. Existen veinte aminoácidos diferentes, ensamblados en combinaciones distintas para formar proteínas, también diferentes. Por ejemplo, el cabello está constituido por una proteína específica, elaborada con una secuencia determinada de aminoácidos; los músculos del brazo pueden estar compuestos por los mismos veinte aminoácidos, pero se agrupan en una secuencia distinta para producir músculo en vez de cabello.

De esta manera, el cuerpo fabrica una serie de proteínas diferentes con diversas funciones, usando los mismos veinte bloques de construcción, pero en combinaciones distintas. Las proteínas son cruciales para el funcionamiento y la existencia misma del organismo, desde las enzimas que ayudan a digerir los alimentos a la hemoglobina que transporta el oxígeno en la sangre.

Una de las formas de optimizar el análisis de la evolución es clasificando las proteínas con algún criterio. Hay muchos criterios de clasificación de proteínas y uno de ellos es hacerlo por familias, por ejemplo las globinas (la más conocida es la hemoglobina) que comparten algunas funciones básicas en todos los organismos. En este caso, la captación de oxígeno.

Después de comparar cadenas de aminoácidos que constituyen la base molecular de las proteínas de diferentes organismos se concluyó que son proteínas con una función tan necesaria que sobrevivieron al proceso evolutivo (naturalmente, con mutaciones y cambios). Comparando estructuras se pudo elaborar un “árbol genealógico” de proteínas que las relaciona a todas por parentesco, y se logró identificar muchos de los cambios sufridos en su evolución desde una proteína ancestral común.

Y sin embargo se mueve

Ahora bien, ¿cómo se llega a estos resultados? Pues estudiando la evolución de las proteínas. De las muchas formas de hacerlo los investigadores de la UNQ y UNLP eligieron partir del movimiento que realizan los átomos en una proteína, y de las muchas formas que éstos tienen de moverse eligieron los movimientos vibracionales.

Evolutivamente las proteínas que se originaron en un mismo período conservan ciertas características en su estructura, las diferentes mutaciones no cambiaron determinados tipos de movimientos que realizan y que tienen que ver (o no) con su función. Como dijimos, la hemoglobina tiene la función de transportar oxígeno. El trabajo que realiza para cumplir su tarea es múltiple: tiene que moverse de determinada manera para dejar pasar la molécula de oxígeno, debe “atrapar” esa molécula, luego “transportarla” y después “soltarla”.

Todas estas funciones y muchísimas otras tienen estrecha relación con los movimientos que esa proteína efectúa. Detectar qué movimientos se mantuvieron invariantes a través de millones de años y decir qué es lo que no cambió permite categorizar las proteínas y detectar a qué responden algunas características del proceso evolutivo.

En armonía

Siguiendo con las comparaciones, el movimiento de la cadena de aminoácidos de una proteína se asemeja al de una cuerda. Es decir, para cumplir su función, la proteína necesita vibrar. Como cualquier vibración (por ejemplo, la de una cuerda de guitarra o violín) hay un modo fundamental (por ejemplo el do) y muchos armónicos, de frecuencias crecientes. El equipo de investigadores toma los primeros armónicos, a los que llama “modo normal” y estudia ese modo en distintas familias de plegamientos (estructura de las cadenas de aminoácidos en la proteína).

Como los modos normales de baja frecuencia describen movimientos colectivos (es decir, de todos los átomos de las proteínas) y están estrechamente vinculados a la función biológica, la obtención de los mismos permite identificar los movimientos que se mantuvieron invariantes durante la evolución de cada familia. Una vez determinados esos invariantes en familias de proteínas, es posible desarrollar modelos computacionales de simulación.

Un método para simular

Con toda esa información analizada detenidamente, recopilada de diferentes bases de datos y publicaciones disponibles en investigaciones anteriores se procede a calcular nuevos resultados. A partir de un método se crea un algoritmo, es decir, una forma de cálculo matemático que luego será traducido a lenguaje de programación. Finalmente se puede seguir a través de la pantalla de la computadora el proceso evolutivo de la proteína en cuestión. En fin, el nivel de especificidad de la investigación científica parece no tener límites y el proyecto de investigación dinámica parece confirmarlo.¡Tiemblen átomos!, la evolución y su investigación continuarán.

Más información: Sandra Maguid, Sebastian Fernandez-Alberti, Leticia Ferrelli, Julian Echave, Exploring the common dynamics of homologous proteins. Application to the globin family. Biophysical Journal, vol. 89, pags. 3-13 (2005). Sandra Maguid, Sebastian Fernandez-Alberti, Julian Echave, Evolutionary conservation of protein vibrational dynamics. Gene, vol. 422, pags. 7-13 (2008).

Instituciones: Centro de Estudios e Investigaciones (UNQ), Instituto Nacional de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (UNLP).

Contacto: Sandra Maguid (E-mail: [email protected]).