Aunque otros expertos han creado reconstrucciones similares, esta es la primera que reproduce la estructura química y tridimensional exacta de un virus vivo, lo cual podría abrir el camino a la investigación de una alternativa a los antibióticos, y reduciría la amenaza de la resistencia bacteriana a estos.

La investigación utilizó datos existentes de estructuras de gérmenes medidas mediante criomicroscopía electrónica y modelización informática, lo que llevó casi tres años a pesar de utilizar supercomputadoras en el Reino Unido y en Japón.

Este logro permitirá investigar procesos biológicos que hasta ahora no habían podido ser examinados a fondo, como por ejemplo averiguar cómo un bacteriófago, que es un tipo de virus que infecta a las bacterias, mata a una específica causante de una enfermedad. Por el momento, se desconoce cómo ocurre, pero este nuevo método de creación de modelos más precisos abrirá nuevas vías de investigación sobre el uso de bacteriófagos para matar bacterias potencialmente mortíferas para el ser humano, precisó la publicación. Esto podría conducir a tratamientos más específicos contra enfermedades, que actualmente se combate con antibióticos y, por tanto, ayudar a frenar la creciente amenaza que supone para las personas la resistencia de los microorganismos a los antibióticos.

enero 24/2023 (Prensa Latina) – Tomado de la Selección Temática sobre Medicina de Prensa Latina. Copyright 2019. Agencia Informativa Latinoamericana Prensa Latina S.A.

Los aminoácidos, los ladrillos básicos que permiten la vida, entran y salen de las células para que estas puedan crecer, dividirse y desarrollar sus funciones fisiológicas. Esta entrada y salida sucede gracias a las compuertas conformadas por, entre otras, las proteínas de la familia HAT, que se encuentran embebidas en la membrana celular.

A pesar de que dichas proteínas son prácticamente idénticas en su estructura, unas transportan unos aminoácidos y no otros, lo que les confiere funciones completamente distintas, como aquellas relacionadas con el crecimiento de las células y su implicación en enfermedades como el cáncer, el funcionamiento de las neuronas o el transporte de sustancias tóxicas y su intervención en la adicción a sustancias como la cocaína.

“La naturaleza ha resuelto el problema de armonizar la concentración adecuada de cada aminoácido en sangre y en las células, y el flujo de aminoácidos entre células y órganos, con unos 60 transportadores distintos, que lógicamente son promiscuos y transportan varios pero no todos los aminoácidos”, explica a SINC Manuel Palacín, investigador del Instituto de Investigación Biomédica ​​(IRB Barcelona).

Las proteínas HAT son prácticamente idénticas en su estructura. Sin embargo, unas transportan unos aminoácidos y no otros, lo que les confiere funciones distintas.

“Unos transportadores se expresan en unas células y otros en otras. Además, a tiempos distintos de nuestro desarrollo y envejecimiento. La especificidad en este escenario es necesaria, consustancial y paradigmática”, detalla a SINC el investigador, catedrático de la Universidad de Barcelona.

Tanto los científicos del IRB Barcelona como del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), se preguntaron qué es lo que confiere esta especificidad y diversidad de funciones. Por ello, analizaron la arquitectura tridimensional de esta importante familia de proteínas. Los resultados del estudio se publican en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Detalles a escala atómica

Gracias a las últimas tecnologías de alta resolución estructural, como la criomicroscopía electrónica –combinadas con la modelización computacional y el diseño de mutantes de estas proteínas–, los autores han podido observar la estructura de uno de los miembros de esta familia de proteínas con detalle atómico y descifrar su función.

El detalle atómico desvela que solo unos pocos residuos ─cada uno de los aminoácidos que forman parte de estas proteínas─, situados en regiones muy concretas, son los responsables de dictar los aminoácidos a los que se unen y, por tanto, sus funciones específicas.

Los científicos han sido capaces de visualizar con resolución atómica, mediante el uso de criomicroscopía electrónica, la estructura de un miembro de la familia HAT.

Además, el trabajo demuestra cómo las sustituciones de unos residuos por otros en estas posiciones en los distintos miembros de la familia son responsables del cambio en la especificidad de reconocimiento y transporte de unos aminoácidos y no otros.

“Las técnicas más tradicionales para la determinación de la estructura de las proteínas, como las que utilizan rayos X, han tenido un éxito limitado con las proteínas que están embebidas en las membranas biológicas, por lo que muchas cuestiones han quedado sin resolver”, declara Óscar Llorca, jefe del Grupo de Complejos Macromoleculares en la Respuesta al Daño del ADN del CNIO  y coautor del trabajo.

“La [técnica] más exitosa es la criomicroscopía electrónica, donde literalmente se fotografían moléculas de la proteína en estado congelado. Es decir, se ‘ven’ los átomos en el espacio”, destaca Paladín.

Nuevos fármacos contra cáncer y alzhéimer

Esta nueva tecnología, galardonada con el Premio Nobel de Química en 2017, no solo ha servido para observar procesos biológicos como nunca antes, sino que también contribuye a acelerar el desarrollo de nuevos compuestos y fármacos de interés.

Solo unos pocos residuos son los responsables de dictar los aminoácidos a los que se unen y, por tanto, sus funciones específicas

Los resultados permitirán dirigir ahora los esfuerzos a conseguir nuevos medicamentos que actúen específicamente sobre regiones concretas de estas proteínas, y controlar las enfermedades en las que intervienen, como el cáncer o el alzhéimer.

“Resolver la estructura de proteínas es clave para entender su funcionamiento, pero el verdadero objetivo es conocer cómo funcionan, ya que si se altera este mecanismo se produce una patología”, concluye el investigador.

diciembre 01/2021 (SINC)

Referencia:

Rodríguez C. F:, Escudero-Bravo P., Díaz L.,Bartoccioni P., GarcíaC.: Structural basis for substrate specificity of heteromeric transporters of neutral amino acids. PNAS. 2021. DOI: 10.1073/pnas.2113573118

El trabajo, liderado por el IRB Barcelona y el CNIO, se ha llevado a cabo en colaboración con los grupos de Víctor Guallar, en el Barcelona Supercomputing Center (BSC) y Lucía Díaz de la empresa biotecnológica Nostrum Biodiscovery.

Un equipo del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), ha descubierto cómo ciertas proteínas garantizan la reparación de los errores causados en el ADN durante su replicación.

Utilizando criomicroscopía electrónica, el grupo dirigido por Rafael Fernández-Leiro ha hecho visible la proteína MutS, también conocida como la ‘guardiana’ de nuestro genoma, lo que les permitió describir cómo esta única proteína es capaz de coordinar este proceso esencial de reparación del ADN de principio a fin.

El estudio ha sido llevado a cabo en colaboración con Meindert Lamers, del Leiden University Medical Center, LUMC (Países Bajos), y Titia Sixma, del Netherlands Cancer Institute y el Oncode Institute. Sus resultados se publican en Nature Structural & Molecular Biology.

Entre las diferentes fases de la división celular se encuentra la replicación del ADN, durante la cual la polimerasa de ADN duplica la información genética de la célula para poder transferirla a la célula hija. A pesar de ser un mecanismo muy preciso, en ocasiones pueden producirse errores. Es fundamental que estos errores sean reparados, ya que de lo contrario pueden causar tumores.

Los autores han hecho visible la proteína MutS, también conocida como la ‘guardiana’ de nuestro genoma, y han descrito cómo esta única proteína es capaz de coordinar el proceso esencial de reparación del ADN de principio a fin

Los investigadores ya habían descrito en trabajos anteriores que la polimerasa de ADN cuenta con su propio corrector, una exonucleasa, gracias a la cual puede corregir los errores que se introducen durante la copia del ADN. Pero cuando este corrector es insuficiente, entra en escena la proteína MutS, que escanea el ADN copiado en busca de errores y, a continuación, inicia y finaliza la reparación de aquellos que detecta.

Hasta ahora no estaba claro cómo una sola proteína puede coordinar tantos procesos diferentes. “Hemos podido observarla mientras lleva a cabo sus funciones, capturando su estructura molecular en sucesivas conformaciones. Con esta información hemos podido entender cómo una sola proteína es capaz de coordinar todo el proceso, que ha de ser extremadamente preciso”, explica Fernández-Leiro.

Cómo se desarrollan las mutaciones

Conocer en profundidad el proceso de reparación de nuestro ADN, en el que están involucrados la propia ADN polimerasa, la exonucleasa y la proteína MutS, es fundamental para comprender cómo las alteraciones que se producen en alguna de estas proteínas conducen a mutaciones y, por lo tanto, a un mayor riesgo de desarrollar ciertos tipos tumorales, como el síndrome de Lynch o el cáncer de endometrio.

Los investigadores insisten en el importante papel de la microscopía electrónica para desentrañar las estructuras de las proteínas. “La criomicroscopía electrónica permite obtener imágenes a muy alta resolución de las proteínas mientras llevan a cabo su función. Usando estas imágenes podemos reconstruir en el ordenador la estructura tridimensional de la proteína y generar un modelo atómico para entender cómo funciona”, concluye Fernández-Leiro.

abril 15/2021 (SINC)

Referencia:

Rafael Fernández-Leiro et al. The selection process of licensing a DNA mismatch for repair.  Nature Structural & Molecular Biology, 2021. DOI: 10.1038/s41594-021-00577-7

El estudio está financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, el Instituto de Salud Carlos III, la Agencia Estatal de Innovación, UK Medical Research Council, Oncode Institute, NWO-Gravity y Horizontes 2020.

En una época en la que cada vez más bacterias están desarrollando resistencia a los antibióticos que se usan para combatirlas, y teniendo en cuenta que esta enfermedad supone todavía una gran amenaza en países en vías de desarrollo que poseen sistemas de salud insuficientes, poner fin a la epidemia de tuberculosis es una de las metas sanitarias urgentes de los Objetivos de Desarrollo Sostenible que ha establecido la Organización de Naciones Unidas (ONU) para el año 2030.

La tuberculosis es una enfermedad infecciosa que tiene una elevada tasa de fallecimiento, siendo una de las diez primeras causas de mortalidad en todo el mundo, y la cual impacta especialmente a personas infestadas por el virus de inmunodeficiencia humana (VIH) y otras patologías que afectan al sistema inmunitario. De hecho, según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS), 10 millones de personas enfermaron de tuberculosis en 2017 en todo el mundo, 1,6 de las cuales fallecieron.

La antigüedad del actual tratamiento, que data de hace 40 años. y el surgimiento de nuevas cepas de la enfermedad que muestran resistencia frente a los antibióticos urgen a encontrar nuevas estrategias terapéuticas. Para ello, es necesario comprender en profundidad los mecanismos que la bacteria emplea para causar la enfermedad.

En este sentido, cuando un organismo es infectado por M. tuberculosis, el sistema inmunitario lanza una compleja respuesta para destruirla. No obstante, la bacteria ha evolucionado varios sofisticados mecanismos para debilitar al sistema inmune y utiliza un sistema de secreción (un complejo de proteínas situado en su membrana) que inyecta dentro de las células del sistema inmune determinados factores de virulencia.

Estos factores son moléculas cuyo cometido es paralizar la respuesta defensiva de las células inmunitarias, para que la bacteria, en lugar de ser destruida, tenga vía libre para continuar infectando al organismo.

La estructura y el mecanismo de funcionamiento del sistema de secreción de M. tuberculosis, llamado T7SS (sistema de secreción de tipo 7), no ha podido ser estudiado en detalle, ya que hasta ahora solo se había logrado obtener información estructural a muy bajo detalle, que mostraba una estructura en forma de hexámero (estrella de seis puntas), cuyo centro sirve de canal a través del cual la bacteria expulsa los factores de virulencia.

De hecho, la falta de información sobre cómo es y cómo funciona el T7SS a nivel atómico ha impedido avanzar en el logro de nuevas estrategias terapéuticas contra la tuberculosis basadas en el ataque al sistema de secreción.

Sin embargo, los investigadores Óscar Llorca y Ángel Rivera-Calzada, que desde el CNIO han aportado su experiencia en criomicroscopía electrónica y procesamiento digital de imagen, y Sebastian Geibel y Nikolaos Famelis de la Universidad de Würzburg, expertos en sistemas de secreción bacterianos, se han coordinado para desentrañar estas incógnitas y han conseguido describir en detalle cómo es el T7SS a nivel atómico.

Concretamente, los investigadores han trabajado con una bacteria muy similar, M. smegmatis, que se emplea en investigación como modelo para estudiar M. tuberculosis y que comparte con ella el mismo sistema de secreción. El trabajo, publicado en la revista Nature, ha mostrado que T7SS constituye una sofisticada nanomáquina donde varias proteínas cooperan para la inyección de los factores de virulencia producidos por la bacteria en las células del sistema inmune.

Hacia una nueva generación de compuestos

Desarrollos recientes han convertido a la criomicroscopía electrónica en una tecnología extremadamente potente que permite obtener imágenes de estructuras moleculares a una gran resolución. Y es que, esta técnica permite agilizar la obtención de información estructural que con otras técnicas exigía grandes volúmenes de muestra o su cristalización.

Con ella, la biología molecular y la bio medicina están dando un enorme salto cualitativo que se espera revolucione el desarrollo de tratamientos contra las enfermedades. En este sentido, en el nuevo trabajo, y gracias a las múltiples imágenes del T7SS obtenidas y procesadas utilizando criomicroscopía electrónica, los investigadores han detallado todos los actores involucrados en el T7SS, han aclarado la función de algunos de ellos, que permanecía desconocida, han modelado su estructura en tres dimensiones y, a partir de toda esta información, han propuesto un mecanismo de funcionamiento.

Hemos podido ver que los componentes que hasta ahora se veían difusos con otras técnicas son en realidad elementos que están en constante movimiento. Así, hemos visto que el hexámero de T7SS está formado por un subcomplejo de 4 proteínas, y que son necesarias 6 copias idénticas de este subcomplejo para dar forma a la estrella de seis puntas en torno a un poro central, por donde la bacteria expulsa los factores de virulencia que bloquean la respuesta defensiva del organismo infectado, han explicado los investigadores.

Posteriormente, el mecanismo propuesto ha sido testado con éxito por el grupo de la Universidad de Würzburg mediante diferentes versiones mutadas del sistema. Será de gran utilidad para testar el efecto de nuevas moléculas dirigidos contra este mecanismo de secreción, que necesitan las bacterias del género Mycobacterium para llevar a cabo con éxito la infección, han zanjado los científicos.

octubre 22 /2019(Europa Press). Tomado de la Selección Temática sobre Medicina de Prensa Latina. Copyright 2019. Agencia Informativa Latinoamericana Prensa Latina S.A.

Se suele decir que las proteínas son los ladrillos con los que se construye la vida. En el interior de las células, las proteínas se asocian en grandes complejos macromoléculas, consorcios de proteínas que cooperan para llevar a cabo funciones específicas. Muchas investigaciones del cáncer se centran en encontrar inhibidores para algunos de estos complejos proteicos, como son las quinasas mTOR y ATR o la enzima telomerasa, que están sobreactivadas en los tumores.

Existen unas proteínas cuya función es construir estos complejos (las llamadas chaperonas y cochaperonas) y la inhibición de este proceso de ensamblaje se está estudiando como estrategia contra el cáncer. Podría decirse que quinasas y enzimas como mTOR, ATR o la telomerasa son un edificio en construcción y las chaperonas (como HSP90) y cochaperonas (como R2TP), las maquinarias que lo construyen.

Las evidencias actuales sugieren el potencial terapéutico de RUVBL1-RUVBL2, el motor energético de la cochaperona R2TP, en el tratamiento contra el cáncer. Ahora, investigadores del Grupo de Complejos Macromoleculares en la Respuesta a Daños en el ADN del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) han utilizado el poder de la criomicroscopía electrónica para determinar el mecanismo que regula RUVBL1 y RUVBL2. El trabajo se publica en Science Advances.

El estudio de complejos macromoleculares mediante criomicroscopía electrónica está revolucionando la capacidad de comprender cómo funcionan las proteínas

El Grupo del CNIO ya había utilizado la criomicroscopía electrónica para observar la estructura a alta resolución de R2TP. En aquel trabajo, los investigadores observaron cómo R2TP está diseñado para poner en contacto a la chaperona HSP90 con las proteínas sobre las que debe actuar. R2TP cuenta con un motor de energía, un anillo formado por las ATPasas RUVBL1 y RUVBL2, que utilizan la energía proporcionada por el ATP mediante su hidrólisis a ADP.

En este proceso de generación de energía, las ATPasas recogen el ATP presente en la célula y liberan ADP como desecho y energía. En el caso del anillo formado por RUVBL1 y RUVBL2, los investigadores observaban que el acceso al centro de unión del ATP estaba completamente cerrado, atrapando el ATP o ADP en su interior e impidiendo su intercambio y con ello el funcionamiento del motor. La pregunta que surgía era cómo se utiliza la energía necesaria para el ensamblaje de complejos proteicos.

La criomicroscopía electrónica ha permitido despejar esta incógnita: “Hemos detectado una región de la proteína RUVBL2 que funciona a modo de puerta que se abre para permitir el acceso del ATP y ADP a la proteína, y con ello la liberación de la energía contenida en el ATP”, explica Óscar Llorca, jefe del Grupo del CNIO. “La llave que regula la apertura de esta puerta es la interacción de la ATPasa RUVBL2 con un componente de R2TP necesario para el ensamblaje de mTOR”.

Revolución en el funcionamiento de las proteínas
El estudio de la estructura y dinámica de proteínas –aquel que analiza cómo interactúan las proteínas entre sí para llevar a cabo todas las funciones biológicas en las que están implicadas– siempre ha mostrado una gran dificultad, tanto con observaciones experimentales como con herramientas computacionales. En este sentido, el estudio de proteínas y complejos macromoleculares mediante criomicroscopía electrónica está revolucionando la capacidad de observar y comprender cómo funcionan las proteínas, tal como apuntaba hace unos meses la revista Nature.

Profundizar en el funcionamiento de los procesos que determinan si se construyen o no ciertas moléculas fundamentales en cáncer puede ayudar a encontrar nuevas estrategias terapéuticas basadas en la inhibición del ensamblaje de proteínas. En el caso de las ATPasas RUVBL1 y RUVBL2, ya hay estudios tratando de inhibir su actividad promotora de tumores. Los resultados que ahora publica en Science Advances el equipo que lidera Llorca, en colaboración con el grupo de Laurence H. Pearl en la Universidad de Sussex (Reino Unido), permitirán afinar esos trabajos.

“Sabemos que la energía del ATP es utilizada por las ATPasas RUVBL1 y RUVBL2 y que es necesaria para el ensamblaje de mTOR y otros complejos macromoleculares, pero desconocemos cómo y en qué se usa energía”, dice Llorca.

“En este artículo hemos descubierto que RUVBL2 dispone de una compuerta para controlar el acceso del ATP al centro catalítico donde su energía es utilizada. Observamos además que la apertura de esta compuerta está controlada por moléculas necesarias para el ensamblaje de mTOR, acoplando la activación del motor al momento en que la energía es necesaria. Pero aún no sabemos en qué se emplea exactamente esa energía. En próximos estudios investigaremos para qué es necesario exactamente este gasto de energía a nivel molecular”, concluye.

mayo 03/ 2019 (SINC)

‘El premio de este año recompensa un refrescante método de producir imágenes de moléculas vivas’ congeladas en movimiento, anunció Göran Hansson, secretario general de la Academia Real de Ciencias, que otorga el galardón.

Gracias a sus hallazgos, ‘los científicos pueden ahora producir (…) estructuras tridimensionales de biomoléculas’, argumentó el jurado Nobel.

La criomicroscopía permite estudiar muestras biológicas ( virus , proteínas) sin alterar sus propiedades, puesto que evita los colorantes o los haces de electrones desprendidos por los rayos X.

La microscopia electrónica convencional deshidrata las muestras (muchas veces constituidas por una gran cantidad de agua), de modo que las altera. También las altera el uso de colorantes o de sales empleados para mejorar la resolución de la imagen.

Hasta los años 1980, cuando Jacques Dubochet -ahora de 75 años- y su equipo inventaron la criomicroscopía electrónica, se congelaba la muestra para conservarla en su estado original.

La tecnología moderna permite reconstruir la muestra biológica -por ejemplo de un virus  o una bacteria- en tres dimensiones. ‘Una imagen es una llave para la comprensión’, explica la Academia.

Las posibilidades de obtener el premio eran ‘minúsculas porque hay tantos otros descubrimientos cada día’ declaró Joachim Franck vía telefónica, al recibir el mensaje de la Academia Real.

‘En cierto modo me quedé sin voz, y me dije: ‘es una noticia fantástica» añadió.

En 1990, Henderson, actualmente de 72 años, fue el primero en producir una imagen tridimensional (3D) en resolución a nivel de los átomos de una proteína. Joachim Frank, de 77, perfeccionó la técnica y la simplificó.

‘Cuando los investigadores empezaron a sospechar que el virus  del Zika era responsable de las graves anomalías en los bebés en Brasil (en 2015), recurrieron a la crio-EM (criomicroscopia electrónica) para visualizar el virus ‘, recordó el comité Nobel.

El suizo Jacques Dubochet ironizó en rueda de prensa en Lausana sobre el premio. Los tres científicos, dijo, fueron galardonados ‘porque hemos aprendido a trabajar (….). Hemos inventado el agua fría’.

El humor de Dubochet también está presente en su CV, publicado en el sitio de la universidad de Lausana. Dubochet menciona en particular que fue concebido por unos ‘padres optimistas’ hacia octubre de 1941. Luego precisa que su dislexia le permitió ‘ser malo en todo y comprender a las personas en dificultad’.

En 2016, el Nobel de Química fue para el francés Jean-Pierre Sauvage, el británico Fraser Stoddart y el holandés Bernard Feringa, creadores de las minúsculas ‘máquinas moleculares’ que prefiguran los nanorobots del futuro.

El martes, tres estadounidenses recibieron el Premio Nobel de Física por haber confirmado una predicción de Einstein: la existencia de ondas gravitacionales, una revolución que nos acerca al corazón del Big Bang y al origen del universo.

Un día antes, el Premio Nobel de Medicina  fue atribuido a tres genetistas especializados en el estudio del reloj biológico.

Le seguirán los premios Nobel de Literatura y de la Paz y, y en esta semana, el de Economía.

Para el de Literatura, según los críticos y las casas de apuestas, son favoritos el keniano Ngugi wa Thiong’, el japonés Haruki Murakami y la canadiense Margaret Atwood, habitualmente citados para obtener este premio, que suele desbaratar todos los pronósticos.

También figuran el francolibanés de origen sirio Adonis, los israelíes Amos Oz y David Grossmann, el albanés Ismail Kadaré o el italiano Claudio Magris.

En fin, la cuestión nuclear domina en los pronósticos del Nobel de la Paz, el único que se entrega en Oslo, en un contexto de tensión creciente entre Estados Unidos y Corea del Norte tras el sexto ensayo norcoreano, pero también de incertidumbre en torno al acuerdo sobre el programa nuclear iraní, que el presidente estadounidense, Donald Trump, amenazó con ‘romper’.
octubre 10/2017  (AFP)