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