Por qué la ingeniería de proteínas puede representar el futuro de la ciencia

Por Faye Flam

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(Getty)
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Los científicos apuestan cada vez más por su tiempo y esfuerzo para que la forma de controlar el mundo sea a través de las proteínas. Las proteínas son lo que anima la vida. Toman información codificada en ADN y la convierten en intrincadas estructuras tridimensionales, muchas de las cuales actúan como máquinas diminutas. Las proteínas funcionan para transportar oxígeno a través del torrente sanguíneo, extraer energía de los alimentos, activar las neuronas y atacar a los invasores. Uno puede pensar en el ADN como un trabajo al servicio de las proteínas, llevando la información sobre cómo, cuándo y en qué cantidades hacerlas.

Los seres vivos producen miles de proteínas diferentes, pero pronto podría haber muchas más, ya que los científicos están empezando a aprender cómo diseñar nuevas desde cero con propósitos específicos en mente. Algunos buscan diseñar nuevas proteínas para medicamentos y vacunas, mientras que otros buscan catalizadores más limpios para la industria química y nuevos materiales.

David Baker, director del Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington, compara el diseño de proteínas con el advenimiento de la creación de herramientas personalizadas. En algún momento, los protohumanos fueron más allá de simplemente encontrar usos para piezas de madera, roca o hueso, y comenzaron a diseñar herramientas para satisfacer necesidades específicas, desde destornilladores hasta autos deportivos.

Ahora es posible hacer una transición similar a escala molecular, ya que los científicos pueden crear proteínas con estructuras que la naturaleza nunca produjo. "Pueden trascender el universo de las proteínas naturales", dijo William DeGrado, químico de la Universidad de California en San Francisco.

La gente ha estado hablando de ingeniería de proteínas durante décadas. Pero hasta los últimos años, llevarlo a cabo fue un problema tremendamente complejo. No existen reglas simples para predecir cómo las proteínas se pliegan en sus diversas estructuras tridimensionales. Entonces, incluso si pudieras diseñar una proteína con la forma adecuada para algún trabajo, no habría una forma obvia de saber cómo hacerlo a partir de los componentes básicos de la proteína, los aminoácidos.

Pero durante muchos años, los científicos han estado reduciendo el problema, dijo DeGrado. A diferencia de otros campos más ampliamente publicitados, no ha habido hitos célebres (como la finalización del proyecto del genoma humano de USD 3,000 millones). Tampoco ha habido ningún avance único y sorprendente, como CRISPR, un componente de las bacterias del yogur que revolucionó la capacidad de manipular genes. Pero ahora algunos científicos piensan que diseñar proteínas se volverá, al menos, tan importante como la manipulación del ADN en las últimas dos décadas.

Lo que ha cambiado recientemente es la capacidad de descifrar el complejo lenguaje de las formas de proteínas. Hay una manera muy simple de que el código químico lineal transportado por hebras de ADN se traduzca en cadenas de aminoácidos en las proteínas. Pero entonces las leyes de la física entran en juego. Las proteínas se rompen en estructuras plegadas porque los aminoácidos son atraídos o repelidos por otros en muchos lugares de la cadena.

Baker, de la Universidad de Washington, dijo que cuando comenzó su carrera hace unos 30 años, los científicos intentaron alejarlo de la ingeniería de proteínas porque no había ninguna garantía de que progresara de forma apreciable en su vida. Pero dijo que le gustaba el desafío y la naturaleza interdisciplinaria de la búsqueda, que combinaba ciencias de la computación, biología, química y física.

Desde entonces, los científicos han avanzado su comprensión de la física de las proteínas, y el poder de la computación se ha incrementado. Baker comenzó un sistema de traducción llamado Rosetta, pero, al darse cuenta de que se estaba quedando sin poder de computación en la universidad, contrató a ciudadanos para que prestaran sus computadores en un proyecto llamado Rosetta@home.

Baker y sus compañeros idearon una especie de juego llamado Foldin, en el cual los científicos ciudadanos podrían tratar de descubrir ciertas funcionalidades de las proteínas. Eventualmente reclutaron la ayuda de más de un millón de personas. Eso les permitió predecir cómo se reducirían las proteínas más pequeñas, pero las más grandes aún eran demasiado complejas. Según un artículo de la revista Science, recibieron un impulso de los científicos que estudian cómo la evolución ha llevado a las proteínas que ya tenemos. La mayoría de las mutaciones genéticas que afectan la estructura de las proteínas conducirán a algo que no funciona, pero ciertas combinaciones de diferentes mutaciones darán lugar a una versión modificada de la misma cosa, permitiendo que evolucionen nuevas proteínas.

Y finalmente, su piedra biológica Rosetta está funcionando. DeGrado, de UCSF, dijo que su laboratorio está estudiando cómo crear nuevos medicamentos con mayor estabilidad, tanto en el estante como en el cuerpo. También está estudiando la enfermedad del Alzheimer y las afecciones neurológicas similares, que se caracterizan por ser proteínas cerebrales que se pliegan incorrectamente en depósitos tóximos.

El laboratorio de Baker está trabajando en un conjunto igualmente diverso de aplicaciones, incluida una vacuna que protegerá simultáneamente contra todas las cepas del virus de la influenza, y un sistema para descomponer el gluten de proteína de grano común, con la esperanza de ayudar a las personas con enfermedad celíaca. Otros buscan proteínas que ayuden a convertir la energía solar en combustible. Baker señaló que hay entre 20 y 200 proteínas posibles, que es más que la cantidad de átomos en el universo. La evolución ha producido solo una fracción de un minuto. Entonces, hay mucho espacio para expandir.