Una nueva forma de diseñar proteínas modulares
Las proteínas son las moléculas complejas responsables de la mayor parte del trabajo que se realiza en nuestras células. Desempeñan un papel fundamental en la estructura, el funcionamiento, la regulación y el bienestar del organismo. Pero ¿y si las proteínas pudieran hacer aún más? «Las proteínas naturales representan solo una pequeña fracción de todas las secuencias y estructuras proteicas posibles», explica Roman Jerala, bioquímico del Instituto Nacional de Química(se abrirá en una nueva ventana) de Eslovenia. El reto es diseñar nuevas proteínas que aún no hayan evolucionado en la naturaleza. «Crear estructuras proteicas con nuevas formas y características podría abrir la puerta a grandes avances en medicina, tecnología y ciencia», añade Jerala. El equipo del proyecto MaCChines(se abrirá en una nueva ventana), liderado por Jerala, aborda este reto.
Ventajas de los módulos de hélice enrollada
Este equipo, que contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana) (CEI), tenía como objetivo avanzar en el diseño de proteínas modulares basadas en lo que se conoce como módulos de hélice enrollada. El investigador principal, Jerala, explica que los espirales están formados por dos o más hélices peptídicas (una estructura secundaria de las proteínas) enrolladas entre sí. A diferencia de las proteínas que han evolucionado de forma natural, cuyo pliegue está definido por el núcleo hidrofóbico, estas proteínas diseñadas en laboratorio se definen por la disposición de los módulos de formación de dímeros en espiral conectados en una cadena polipeptídica única. Esta cadena se ensambla en una vía diseñada que luego forma pliegues proteicos nuevos. Los módulos formadores de dímeros median en la interacción de dos subunidades proteínicas (los dímeros proteínicos), que son cruciales para una serie de funciones celulares. Los científicos pueden utilizar estos módulos para diseñar proteínas con funciones e interacciones específicas. «Estas moléculas programables tienen muchas propiedades y pueden ser producidas por fábricas celulares de forma sostenible y eficiente desde el punto de vista energético y de los recursos», explica Jerala. «Además, debido a su estructura definida a nanoescala, esperamos que sean eficientes en términos de reconocimiento, entrega y catálisis y que encuentren aplicaciones en medicina, biotecnología y otros campos».
Los resultados superan las expectativas
A partir de estos módulos de hélice enrollada, el equipo del proyecto MaCChines diseñó y caracterizó nuevos tipos de jaulas proteicas desconocidas en la naturaleza, reguló su ensamblaje y desensamblaje mediante iones metálicos y proteasas, diseñó su vía de plegamiento y demostró su uso para varios tipos de regulación celular. «El proyecto ha sido muy productivo y, en varios aspectos, incluso ha superado mis propias expectativas», señala Jerala. Los constructos del proyecto están disponibles a través de Addgene(se abrirá en una nueva ventana) y ya los utilizan otros investigadores que trabajan en los campos de la biología sintética y la bionanotecnología, entre otros.
El papel del diseño modular de proteínas en un mundo basado en la inteligencia artificial
El progreso avanza increíblemente rápido, y el diseño de proteínas no es una excepción. De hecho, las recientes proteínas basadas en inteligencia artificial (IA) ya están haciendo realidad los sueños de los diseñadores de proteínas. Sin embargo, Jerala confía en que la labor del proyecto siga teniendo un impacto duradero. «Aunque estamos adoptando plenamente la tecnología de diseño generativo de proteínas, los principios del diseño modular de proteínas son algo que los diseños basados en IA no pueden hacer», concluye Jerala. «Algunos de nuestros diseños con estructuras determinadas experimentalmente aún no pueden ser generados por programas de IA debido a su topología compleja». Con el apoyo del nuevo proyecto PROFI, financiado por el CEI, y aprovechando las bases sentadas por MaCChines, el equipo de investigación de Jerala se está centrando ahora en la regulación de células de mamíferos mediante proteínas diseñadas. También espera explorar la traslación de las herramientas de biología sintética hacia aplicaciones terapéuticas.
