Observando las proteínas dentro de las células

Observando las proteínas dentro de las células

La resonancia magnética puede mostrar los detalles atómicos de las proteínas en acción.
Katharine Sanderson

[Los científicos han usado resonancia magnética para ver las proteínas, incluyendo la TTHA1718 (en la imagen), dentro de las células vivas. Nature]

Ahora ya se puede observar la estructura atómica de las proteínas funcionando dentro de las células gracias a los investigadores que han modificado una técnica que ya se estaba empleando ampliamente en los laboratorios y para diagnóstico médico.

Cuando una proteína está dentro de una célula −a diferencia de en un tubo de ensayo− se comporta de forma diferente porque puede estar interaccionando con otras moléculas biológicas que flotan alrededor en el espacio celular. A causa de la dificultad de trabajar con proteínas a menos que estén purificadas y concentradas, hasta ahora ha sido difícil definir los cambios estructurales que pueden tener lugar en las células.

Ahora un equipo de investigadores de Japón, dirigidos por Yutaka Ito en la Universidad Metropolitana de Tokyo, ha superado estos problemas adaptando una técnica bien conocida −la espectroscopía de resonancia magnética (RM)− y utilizándola para elucidar la estructura tridimensional de una proteína dentro de una célula bacteriana. “La estructura tridimensional es muy importante para los biólogos, peor también para la industria farmacéutica”, afirmó Ito.

Mientras tanto, un segundo equipo japonés, dirigido por Masahiro Shirakawa, de la Universidad de Kyoto, ha dado un paso más con esta técnica para llevar a cabo las primeras medidas de proteínas cambiando dentro de las células humanas.

Un carrera contrarreloj
La espectroscopía de RM mide cómo los diferentes núcleos atómicos interaccionan con sus vecinos cuando están en un campo magnético. Esa información puede utilizarse para calcular la distancia entre los átomos de una molécula o entre átomos cercanos. Volker Dötsch y sus colegas, de la Universidad de Frankfurt, Alemania, fueron los primeros en mostrar que esta técnica podía emplearse para observar proteínas dentro de las células en 20011.

Dötsch lo consiguió marcando la proteína diana con un isótopo de nitrógeno y produciendo grandes cantidades a través de células bacterianas. Llevó a cabo el experimento de RM en la proteína sobreexpresada y comparó sus resultados con el espectro de RM de una versión no celular de la proteína para observar los cambios.

Las proteínas en las células pueden existir unas pocas horas, mientras que los experimentos para obtener un espectro de RM dentro de una célula pueden durar hasta dos días y requiere una meticulosa preparación de las muestras. Como resultado, Dötsch y sus colegas fueron capaces de ver únicamente cambios en la proteína a gran escala y obtener información básica sobre una proteína que interaccionaba con otra.

El equipo de Ito fue capaz de mejorar esto combinando varias técnicas de RM y programas de ordenador. Ellos observaron una proteína de la bacteria Thermus thermophilus llamada TTHA1718, que se une a metales pesados.

Ito predijo que las partes hidrofóbicas de una proteína estarían más afectadas dentro del ambiente acuoso de una célula. Por tanto, después de insertar el gen codificante de TTHA1718 en la bacteria Escherichia coli, el equipo alimentó a los microbios con aminoácidos que contenían los isótopos de carbono y nitrógeno 13C y 15N, de manera que los núcleos de los átomos en estos aminoácidos se mostrasen en los experimentos de RM. Esto permitió a los investigadores producir grandes cantidades de proteína marcada dentro de las propias células.

El equipo redujo el tiempo necesario para cada experimento mediante la obtención de sets parciales de datos y completándolos con un algoritmo matemático, una técnica que ya se había empleado en experimentos previos de RM. Finalmente, un programa de ordenador que lleva a cabo cálculos automáticos sobre la estructura de las proteínas les ayudó a completar los huecos de las partes de la proteína en la célula que no estaban marcadas.

Esto les dio la estructura completa de la proteína tal y como está en el interior de una célula de E. coli. Este trabajo ha sido publicado en Nature2.

“Hasta ahora no había ninguna herramienta que permitiera estudiar los cambios conformacionales [de las proteínas en las células]”, declaró Dötsch. Y añadió: “Esto es lo que completa esa necesidad”.

Dentro de las células humanas
Mientras tanto, Shirakawa y sus colegas han sido capaces por primera vez de observar tres proteínas diferentes mediante RM utilizando un marcaje especial.

Hasta la fecha, las RM de las proteínas en células eucariotas sólo se habían llevado a cabo en óvulos de ranas, que son lo suficientemente grandes como para inyectar en ellos la proteína diana. Sin embargo, en un trabajo publicado en Nature3, Shirakawa y sus colegas han marcado las proteínas con péptidos capaces de entrar en las células, que ayudan a las proteínas a pasar a través de la membrana celular sin necesidad de inyección. Una vez dentro, se elimina el marcaje mediante enzimas producidas de forma natural por las células, liberando así las proteínas.

Los investigadores pensaban que las proteínas dentro de las células podrían replegarse en una conformación más rígida. Sin embargo, el equipo de Shirakawa demostró que ése no era el caso, la menos para una proteína −la ubiquitina−, que marca otras proteínas para su degradación dentro de las células.

“Ellos mostraron lo opuesto”, declaró Alexander Shekhtman, experto en RM de proteínas de la Universidad Estatal de Nueva York en Albany. “La ubiquitina se vuelve más flexible.”

Esta flexibilidad no se había visto nunca antes para la ubiquitina en las células, pero podría explicar por qué la proteína −tal y como sugiere su nombre− se une a tantas cosas, afirmó Shekhtman.

Las proteínas en las células humanas no se producen en concentraciones lo suficientemente altas como para permitir la elucidación de su estructura. Pero, explicó Ito, “si podemos aumentar la sensibilidad de la RM diez veces, creo que se podría llevar a cabo la determinación estructural de proteínas en células humanas”.

Dötsch está de acuerdo y opina que las técnicas se desarrollarán para permitir esto. “La RM ya es diez veces más sensible que hace diez años”, informó. Las técnicas empleadas por Ito y Shirakawa serán útiles para el cribado de las compañías farmacéuticas en busca de moléculas candidatas para ver cómo interaccionan con las proteínas dentro de las células, añadió.

“Espero que la gente empiece buscar proteínas con una flexibilidad significativa en ciertas partes y mire esas proteínas en las células”, predijo Shekhtman. Por ejemplo, las proteínas que forman fibrillas están implicadas en enfermedades como la de Alzheimer, que ahora se pueden estudiar. “Puedes poner las proteínas en las neuronas y ver qué estructura tienen”, aseguró Shekhtman.