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Enzimas creadas desde cero
En un gran paso adelante para el diseño computacional de proteínas, los científicos han construido desde cero un puñado de enzimas que catalizan con éxito una reacción química específica. Estas proteínas no tienen contrapartes naturales y la reacción, que descompone una sustancia química hecha por el hombre, no tiene un catalizador natural.
Creatividad catalizadora: Los investigadores desarrollaron una técnica computacional para construir enzimas desde cero. Una enzima llamada retroaldolasa, una parte de la cual se muestra arriba, fue diseñada para romper los enlaces carbono-carbono en un sustrato químico no natural (modelo de barra amarilla y blanca). La malla gris es el sitio activo de la enzima, su geometría cuidadosamente diseñada para mantener el sustrato en su lugar. Los modelos de barra naranja y verde indican componentes de la enzima que son particularmente importantes para impulsar la reacción.
Deja en claro que podemos calcular una estructura que catalizará una reacción donde antes no había ninguna, dice Frances Arnold , profesor de ingeniería química y bioquímica en Caltech , que no participó en la investigación. Arnold llama a las nuevas enzimas el santo grial del diseño de proteínas computacionales. Diseñar cualquier proteína desde cero es una tarea difícil; diseñar una proteína que pueda llevar a cabo una función determinada requiere mucha más sofisticación.
David Baker y sus colegas en el Universidad de Washington se centró en una reacción que rompería ciertos enlaces entre átomos de carbono. La capacidad de diseñar enzimas que puedan romper y formar enlaces carbono-carbono podría permitir a los científicos descomponer las toxinas ambientales, fabricar medicamentos y crear nuevos combustibles.
Como informan en la revista Ciencias Baker y su grupo diseñaron primero cómo se vería un sitio activo ideal para la reacción. Un sitio activo es un bolsillo dentro de una enzima donde tiene lugar la reacción catalizada. Para hacer su trabajo, un sitio activo debe tener una geometría y una composición química precisas, adaptadas a la reacción que cataliza. Algunos componentes mantienen las moléculas que reaccionan en su lugar, mientras que otros participan en los mecanismos químicos de la reacción.
Una vez que los investigadores calcularon el sitio activo, utilizaron un conjunto de algoritmos recientemente desarrollados para modelar proteínas que tienen dicho sitio. Cada proteína diseñada se clasificó de acuerdo con su capacidad para unir las sustancias químicas que reaccionan y mantenerlas en la posición adecuada.
El siguiente paso fue sintetizar realmente las proteínas seleccionadas. Los investigadores derivaron secuencias de genes para 72 de las enzimas diseñadas, ordenaron fragmentos de ADN que contienen esos genes y utilizaron bacterias para convertir los genes en proteínas. A continuación, se evaluó la capacidad de cada proteína para catalizar la reacción de ruptura del enlace carbono-carbono.
De las 72 proteínas seleccionadas, 32 ayudaron con éxito a lo largo de la reacción. Las proteínas más eficientes aceleraron la reacción a 10,000 veces la velocidad sin una enzima.
Si bien es una hazaña impresionante en comparación con los intentos anteriores de diseño de enzimas, las enzimas sintetizadas palidecen en comparación con las que ocurren naturalmente. No es muy bueno en absoluto, dice Baker. Las enzimas naturales pueden aumentar la velocidad de las reacciones en cantidades mucho, mucho mayores, hasta un billón de veces.
Uno de nuestros problemas de investigación es averiguar qué falta en nuestros diseños que las enzimas naturales han descubierto, dice Baker. En estudios de seguimiento, su grupo ha adoptado dos enfoques para este problema: refinando sus algoritmos informáticos y pidiendo a la naturaleza que intervenga donde los investigadores lo dejaron. Al utilizar sus enzimas mínimamente funcionales como puntos de partida evolutivos, los investigadores pueden utilizar la evolución dirigida para crear catalizadores más eficientes.
En el pasado, la evolución dirigida ha sido un enfoque alternativo para crear enzimas deseables. Pero Baker cree que se puede utilizar como complemento de los enfoques computacionales. El diseño computacional brinda a los investigadores una forma de construir proteínas desde cero, lo que les permite diseñar enzimas para reacciones que no tienen contrapartida natural. De esa manera, estaríamos libres de la tiranía de tener que encontrar algo en la naturaleza para comenzar, dice Arnold, cuyo trabajo se ha centrado en gran medida en la evolución dirigida.
Pero la evolución dirigida proporciona un medio para realizar esos ajustes estructurales que los algoritmos de diseño computacional aún no son lo suficientemente sofisticados para manejar. En realidad, es la ola del futuro, dice Baker, porque estos experimentos de evolución dirigida pueden capturar cosas mucho más sutiles de las que podemos capturar en los cálculos.
Baker's no es el primer grupo en abordar el diseño de enzimas computacionales. Por ejemplo, bioquímico de Caltech Steve Mayo , un pionero en el diseño de proteínas computacionales, informó sobre la creación de enzimas a partir de proteínas no enzimáticas existentes en 2001. Pero el enfoque de Baker difiere en que no utiliza proteínas existentes como puntos de partida; es un verdadero diseño de novo.
Arnold dice que las enzimas de Baker también son más poderosas que las de Mayo, pero que es difícil precisar cuánto más. Es un tipo diferente de enzima, por lo que realmente no se pueden comparar manzanas y naranjas, dice. Pero esta es una manzana bastante buena.