13 de 69 enzimas diseñadas cortan proteínas

Un equipo de investigadores diseñó desde cero moléculas de proteína capaces de cortar un enlace concreto en otra proteína. De las 69 candidatas que purificaron y probaron en el laboratorio, 13 cortaron el objetivo previsto (Nature). Las células controlan qué proteínas están activas cortándolas en puntos determinados; una herramienta que permitiera hacerlo a voluntad daría a los biólogos la posibilidad de intervenir en ese sistema, en lugar de limitarse a observarlo.

Por qué cuesta tanto romper este enlace

Una proteína es una cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Esos enlaces tardan muchísimo en romperse por sí solos: en agua neutra, pueden durar siglos (Radzicka and Wolfenden).

Sin embargo, las células los rompen constantemente con unas enzimas llamadas proteasas. Una enzima es una proteína que acelera una reacción química; las proteasas están especializadas en cortar otras proteínas. Para hacerlo, colocan los grupos químicos reactivos a una distancia y un ángulo precisos del enlace que van a cortar, y los mantienen en esa posición el tiempo suficiente para que ocurra la reacción. Si la geometría se desvía siquiera una fracción de nanómetro, la reacción no se produce.

Ese era el reto del equipo. No inventó una química nueva: tomó la combinación reactiva que usan las cisteína proteasas naturales —un aminoácido cisteína, que contiene azufre, activado por una histidina cercana— e intentó construir a su alrededor una proteína completamente nueva que mantuviera cada elemento en su sitio (Nature).

Diseñar una estructura que mantenga la química en su sitio

El equipo recurrió a herramientas de inteligencia artificial para inventar estructuras proteicas, es decir, formas tridimensionales en las que se pliega una cadena de aminoácidos; después eligió secuencias de aminoácidos que pudieran producir esas estructuras y predijo si cada secuencia se plegaría como se esperaba (ProteinMPNN paper). El software redujo un enorme abanico de posibilidades a un conjunto que el laboratorio podía fabricar y poner a prueba. Los experimentos determinaron cuáles funcionaban.

El resultado va más allá de copiar una enzima natural: las proteínas obtenidas tienen estructuras muy distintas de las proteasas conocidas (Nature). La química es prestada; la estructura que la sostiene, no. El equipo confirmó sus predicciones al cultivar cristales de varios diseños y analizar sus estructuras atómicas, que coincidieron con las previstas por los ordenadores.

Del tubo de ensayo a las células vivas

Los ensayos de laboratorio mostraron que los diseños cortaban sus objetivos. El equipo fue un paso más allá y los probó en células de mamífero: introdujo las instrucciones genéticas tanto de la proteasa diseñada como de una proteína objetivo y buscó señales de que se hubiera producido el corte (preprint).

Ese paso importa porque el tubo de ensayo ofrece un entorno favorable. En una célula, las moléculas compiten por espacio y una proteína desconocida puede plegarse mal o ser destruida. Una enzima diseñada que sobrevive en ese entorno y sigue funcionando supera una prueba exigente.

La cifra de 13 entre 69 requiere contexto: no eran 69 intentos al azar, sino candidatas que el software ya había seleccionado y que luego se purificaron y probaron (Nature). La proporción indica con qué frecuencia funciona un diseño elegido con cuidado, un dato clave para repetir el proceso. Aun así, la mayoría de los intentos falló y los diseños son menos activos que las enzimas naturales cuya química imitan (Ars Technica). Los investigadores creen que todavía no colocan los grupos reactivos con la precisión que alcanza la evolución.

Muchas enfermedades implican que una proteína desempeñe una función perjudicial, y una herramienta capaz de cortar una proteína concreta podría servir para desactivarla (GeekWire). Los experimentos muestran que una química conocida para cortar proteínas también puede funcionar en estructuras diseñadas desde cero. Su uso médico aún no se ha probado.