Grandiosas Máquinas Moleculares Creadas por la Naturaleza

Para sobrevivir y funcionar adecuadamente, las células requieren llevar a cabo ciertas tareas esenciales tales como reconocer el ambiente en el que están, moverse en el, procesar nutrientes para producir energía y componentes celulares, desplazar componentes celulares a diversas partes de la célula, etc.

¿Como hacen esto?

En la mayoría de los casos estas tareas son realizadas por pequeñas máquinas moleculares hechas de proteína que a penas alcanzan unos cuantos nanómetros de tamaño. Estas moléculas que realizan las actividades que sustentan la vida son consideradas máquinas por que usan energía para realizar un trabajo: ya sea un movimiento mecánico o una reacción química.

A diferencia de las máquinas que encontramos en nuestro mundo macroscópico estas diminutas maquinas moleculares son capaces de evolucionar y adaptarse, de auto-ensamblarse por sí mismas, no son afectadas por la gravedad, trabajan en presencia de agua, son muy eficientes y por lo regular todas sus partes están íntimamente relacionadas por lo que no pueden ser modificadas o diseccionadas fácilmente. Cuando las contemplamos hacer su trabajo su complejidad no deja de maravillarnos.

Existe una lista muy larga de estas grandes maravillas que la naturaleza y la evolución han creado. A continuación solo mencionaremos unas cuantas.

ADN Polimerasa.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

ADN polimerasa. Esta proteína en conjunto con otras proteínas realiza la copia o replicación del ADN en la célula. La ADN polimerasa añade nucleótidos libres en solución a una naciente cadena de ADN que es complementaria a la cadena original que sirve de molde. Es una tarea fundamental que sustenta la vida. Además la ADN polimerasa es usada muy ampliamente en diversas técnicas de biología molecular, entre ellas la reacción en cadena de la polimerasa.

En este video a partir del minuto 1:43 puedes ver a la ADN polimerasa en acción.

ADN Polimerasa

Fotosistema I.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

Fotosistemas I y II. Estos complejos que involucran varias proteínas se ubican en el corazón del proceso de la fotosíntesis. Ellos se dedican a captar los fotones provenientes de la luz solar para extraer su energía y transferirla a ciertos compuestos como CO₂ para almacenarla y producir carbohidratos y O₂, dando sustento a la vida que existe en nuestro planeta. Después de absorber la energía de la luz con la ayuda de pequeñas moléculas coloridas como clorofilina o carotenoides, los fotosistemas I y II extraen electrones altamente energéticos de las moléculas de agua que son inmediatamente transferidos a diversas proteínas produciendo protones (iones de hidrogeno, H+) que se usaran para producir ATP, la reserva de energía de la célula (ver más adelante). Al final los electrones son transferidos a una molécula llamada NADPH la cual los entrega a diversas enzimas que sintetizaran azúcares a partir de agua y dióxido de carbono.

En esta animación puedes ver detalles de cómo funciona el fotosistema II: Video Fotosistema II

ATP Sintasa.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

ATP sintasa. Esta extraordinaria máquina molecular está formada por varias proteínas y funciona como una turbina molecular. Ella se dedica a producir ATP (Adenosina Trifosfato, la reserva de energía en la célula) a partir de un flujo de protones (H+) que ella misma bombea desde el interior de un compartimento hacia su exterior. El mecanismo con el que trabaja es de admiración. La ATP sintasa está compuesta de dos motores rotatorios conectados por un estator o parte fija. El primer motor, F0, es movido por el flujo de protones a través de la membrana y el segundo, F1, por ATP. Cuando F0 se mueve también rota a F1 en la dirección que se sintetiza ATP. De esta manera la producción de ATP esta acoplada al flujo de protones a través de la membrana. Como se puede imaginar, la reacción opuesta se puede llevar a cabo y revertir el flujo de protones.

Este video muestra en acción a la ATP sintasa.

Video ATP Sintasa

Ribosoma.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

Ribosomas. Esta maravillosa máquina de ensamblaje o producción de nuevas proteínas es un cumulo altamente organizado de muchas subunidades formadas entre proteínas y ARN. Siendo su función la producción de proteínas en las cuales se incluyen las máquinas moleculares o los propios componentes de los ribosomas, por lo que los ribosomas pueden ser considerados máquinas que ensamblan otras máquinas ensambladoras.

Admira el fantástico funcionamiento de los ribosomas en este video: Video Ribosomas

Anticuerpo.
David S. Goodsell y RCSB PDB (c)

Anticuerpos. Estas proteínas reconocen moléculas al cuerpo humano y que pueden ser nocivas. Suelen circular por todo el cuerpo humano escudriñando cada objeto que tocan. Si un objeto es potencialmente nocivo se unen a su superficie firmemente y lo recubren, por ejemplo en el caso de un virus, o bien lo marcan y alertan a otros sistemas moleculares de su presencia. Los anticuerpos tienen dos brazos flexibles que reconocen ciertas características químicas y geométricas en la superficie de un objeto. El sitio de unión esta en un hueco situado en la punta de cada brazo. Para reconocer distintos blancos los anticuerpos varían enormemente las combinaciones de los aminoácidos localizados en el sitio de unión aumentando enormemente las capacidades de reconocimiento de un mayor número de agentes ajenos y nocivos.

En el video se observa a los anticuerpos con forma de “Y” recubriendo a una bacteria y evitando su unión a una célula. Al final la bacteria recubierta de anticuerpos es tragada por una célula dendrítica.

Video Anticuerpos en acción

Existen muchas otras máquinas moleculares increíbles como la miosina o kinesina que transportan componentes celulares o vesículas llenas de moléculas, el flagelo que propulsa células enteras, las bombas de calcio, el proteosoma, la hemoglobina, cápsides virales, etc. Estas máquinas moleculares por lo general trabajan más eficientemente que nuestras máquinas macroscópicas.

Kit de herramientas moleculares.
Contruye tu propia maquina molecular.
Imagen de Jakob Schweizer, BIOTEC/TU Dresden] (c)

Actualmente muchos científicos trabajan no solo en entender como funcionan si no tambien en utilizarlas para obtener energía barata y limpia, o producir materiales para nuestra vida diaria y para curar enfermedades. Una de los aspectos mas interesantes es que ahora es posible construir máquinas moleculares artificiales inspiradas por las creadas por la naturaleza.

Para ver una impresión artística de cómo trabajan las maquinas moleculares en el interior de la célula ve este impresionante video:

Video: La vida íntima de una célula

Imitando a la Naturaleza: Diseño Molecular de un Virus

Cuando se inicia una nueva investigación uno nunca sabe que tan lejos podrá llegar, aunque uno supone que no tan lejos por que suele pasar que en ciencia uno va caminando muy lentamente. Pocos son los que han encontrado en su investigación la rendija que los llevará al otro lado, ese lado tan anhelado pero poco visitado. Eso es lo que pensaba hasta hace unos meses cuando los resultados de mi investigación empezaron a mostrar que el tiro por el que apostamos dio al blanco y así lo confirmaban experimentos sucesivos.

La Composición Determina La Función

Empezaré explicando lo básico. Como todos saben toda la materia está hecha de átomos y moléculas y dependiendo de como estén arreglados en el espacio y tiempo es como serán sus propiedades. Esto también aplica para la materia biológica, la que está compuesta de biomoléculas, ya sabes, proteínas, ácidos nucleicos (ADN o ARN), lípidos y carbohidratos. La materia biológica también está ordenada en el espacio y tiempo aunque, no está de más decirlo, particularmente de manera muy precisa y compleja. Me detendré a explicar con más detalle este dato que es sumamente importante. Debido a su carácter polimérico¹, las biomoléculas forman estructuras regulares; esto significa que despliegan ciertos grupos químicos con orientación espacial fija, lo cual condiciona las interacciones que establecen con otras biomoléculas tanto en el tiempo y espacio y por lo tanto las propiedades de esa biomolécula en particular están determinadas. Por interacciones me refiero a fuerzas de atracción o repulsión hacia otros grupos químicos desplegados por otras (bio)moléculas, incluyendo las moléculas de agua. Todo esto depende en última estancia de la composición particular de la biomolécula. Es decir la composición de las biomoléculas codifica para su funcionalidad. Así es que conociendo la composición de una biomolécula en particular y sabiendo como se despliega en el espacio es posible predecir y modificar sus propiedades, o bien crear una biomolécula desde cero o de novo con ciertas propiedades. Esto es uno de los paradigmas más importantes de la química actual, es el engranaje que mueve la maquinaria de la (bio)nanotecnología. Se puede intuir la gran capacidad que tiene para revolucionar el estado actual de la tecnología.

Esta impresionante capacidad actual de la química es resultado de las pasadas décadas de estudio intensivo y acelerado de las propiedades básicas de la (bio)materia y de entender sus interacciones, desarrollar modelos para cuantificarlas y poder predecir su efectos. Aunado a esto, a la par han llegado otros desarrollos tecnológicos que permiten un rápido estudio de la ingeniería biomolecular, microscopios de fuerza atómica (que permiten ver y manipular átomos y moléculas individuales), de fluorescencia (entender interacciones y dinámicas), estandarización de métodos de biología molecular (para poder producir cualquier proteína exista o no en la naturaleza).

Diseñando (Bio)Moléculas Con Propiedades Específicas

Con esta capacidad para predecir las propiedades de nuevas (bio)moléculas los científicos hemos empezado a preguntarnos: ¿Podemos diseñar (bio)moléculas que puedan imitar estructuras de la naturaleza tales como las encontradas en la fotosíntesis (para obtención de energía), o las capsulas virales (para tener sistemas de entrega de medicamentos mucho más eficientes) y usarlas para nuestro beneficio? La respuesta es si.

Diseñando Partículas Virales Artificiales

Cuando inicie mi proyecto de Doctorado mis supervisores me decían que no teníamos necesariamente que lograr lo que estaba planteado por escrito en la propuesta de anteproyecto, que usualmente, aunque se tiene como objetivo, no se alcanza. Bien, si la Naturaleza ya lo ha logrado, ¿Por que no usarla como fuente de inspiración?

Figura 1. Virus del Mosaico del Tabaco (VMT). 1) ARN 2) Sub-unidad
proteínica de la cubierta 3) Partículas virales ensambladas. 

Si tomamos un virus muy sencillo, como el virus el mosaico del tabaco (VMT) y analizamos sus componentes, podemos distinguir que está compuesto de una sola molécula de ARN recubierta por alrededor de 2000 copias de una proteína, formando una estructura alargada de aproximadamente 300 nanómetros (parecen rodillos rígidos) donde el ARN se encuentra en el interior (ver figura 1). Parece ser que la capsula (el recubrimiento) es bastante sencilla, solo un tipo de proteína que se ordena alrededor del ARN. ¿Como está diseñada esta proteína que al mezclarla con el RNA forma espontáneamente estructuras regulares capaces de infectar células de las hojas del tabaco? Como se pueden dar cuenta el diseño mínimo de una partícula viral recae en el diseño de la cubierta proteínica, ya que básicamente ella realiza todas las funciones esenciales.

Figura 2. Sub-unidad proteica de la cubierta del virus
del mosaico del tabaco.

Si analizamos la proteína de la cubierta del virus podemos distinguir partes de ella que realizan funciones fundamentales (ver figura 2), 1) unión al ácido nucleico (ARN), 2) Auto-ensamblaje alrededor del ARN (establece interacciones entre proteínas adyacentes de manera coordinada y ordenada) 3) Estabilidad coloidal (evita que partículas virales ya formadas empiecen a agregarse entre si o se insolubilicen ya que partículas grandes tienden a precipitar en solución).

Codificando La Funcionalidad En La Composición Química

¿Como codificar estas funciones a nivel molecular en proteínas artificiales? Imitando la química de los virus. Si se toma una secuencia de aminoácidos (de lo que están hechas las proteínas) con alta densidad de carga positiva entonces se podrán unir a los ácidos nucleicos que son negativos. Si se une a esta otra secuencia con propiedades de auto-ensamblado entonces podrás dirigir la condensación del ácido nucleico en estructuras alongadas de forma cooperativa. La propiedad de auto-ensamblado es fundamental para hacer emerger la cooperatividad, propiedad que es ubicua en todos los sistemas biológicos y que asegurará que las partículas entre el ARN y la proteína están ensambladas completamente y por lo tanto la información genética del ácido nucleico esté protegida. La última función requerida es la estabilidad coloidal que se puede lograr si se añade una secuencia de amino ácidos que den solubilidad al agregado. Estas propiedades permitirán que las partículas penetren las células y entreguen el cargamento de ADN. No está demás decir que una partícula viral artificial formada de esta forma es totalmente segura ya que no es capaz de replicarse e infectar nuevas células ya que esas funciones no están codificadas en la cubierta diseñada.

Después de una larga labor produciendo estas proteínas, en una de esas noches largas que pasarán a la posteridad, sentado enfrente del microscopio vislumbre una imagen increíble, una serie de estructuras alargadas esparcidas por la superficie. Eran mis partículas virales con las que habíamos soñado años antes. Unos minutos antes había mezclado un poco de ADN con cierta cantidad de mi proteína diseñada. Las proteínas que diseñamos habían empezado su danza  microscópica, cual historia de amor, habían sido atraídas por ese aroma negativo del ADN, y empezado a recubrirlo. Una parte de ellas , responsable del auto-ensamblado, les ordenó a todas esas proteínas reunidas alrededor del ADN actuar, condensar el ADN en una pequeña partícula de 300 nm, rígida, alargada como una fibra. Acercamiento. Esto es un virus, una partícula viral artificial, una molécula de ADN condensada por una cubierta proteínica diseñada por nosotros. La danza molecular ha terminado, ahora yo danzo, brinco y grito de emoción. ¿Hasta donde llegará esto? Semanas después colaboradores del Centro Médico de Nimega nos confirman, esas partículas han logrado entrar a células y entregar el ADN que expresa una proteína fluorescente. Después llegaron los teóricos de la Universidad de Eindhoven y nos cuentan que el proceso físico de ensamblaje es similar al del virus de mosaico del tabaco, nuestra fuente de inspiración.

Este estudio ha demostrado que es posible codificar en diferentes secuencias las mismas funcionalidades que se requieren para crear algún material que imite a componentes biológicos. De una forma es imitar la nanotecnología de la naturaleza. El diseño de moléculas funcionales que se auto-ensamblen en nuevos materiales con propiedades controlas a la escala nanométrica ya es una realidad. El siguiente paso es ahora empezar a crear otros materiales que imiten a la naturaleza de una manera mas compleja, ensambladores de nanomateriales, sensores ultra potentes, captadores de energía solar, capsulas que respondan a estímulos del cuerpo para que combatan una enfermedad, etc. Las perspectivas son amplias para las partículas virales diseñadas de novo. Se pueden añadir secuencias con función de reconocimiento de células enfermas (por ejemplo cáncer) para que sean usadas para terapia génica o para entregar otros ARN de interferencia afectando mínimamente al tejido sano. También pueden ser usados para crear vacunas de diseño.

En Hombros De Gigantes

En este punto me pongo a reflexionar sobre todos esos hombres y mujeres que desde hace décadas han contribuido a entender los componentes celulares, no solo para aplicar se conocimiento si no para entender lo que somos, y que con sus contribuciones han cimentado nuestro trabajo actual: Podemos diseñar moléculas con un refinamiento tal que imiten a las máquinas moleculares de la naturaleza.²

Si tienes cualquier comentario, sugerencia o pregunta no dudes en dejarla. Gracias por tu atención. J

Notas

 1. Un polímero es una molécula muy grande formada por múltiples repeticiones de una unidad básica.

2. Si bien la célula no es en esencia una máquina, visualizarla como tal en ciertas ocasiones trae resultados muy prácticos y espectaculares