LA EVOLUCIÓN DIRIGIDA DE PROTEÍNAS
¿Alguna vez escuchaste de la evolución de proteínas? ¿Qué es eso? ¿Con qué se come? ¿Para qué sirve? Aquí te diremos de qué se trata.
Todos los seres vivos cuentan dentro de su organismo con un tipo de proteínas llamadas enzimas. Estas son moléculas capaces de acelerar reacciones específicas durante los procesos metabólicos de los organismos que, de otra manera tomarían años en llevarse a cabo; reacciones tales como cortar partes de otras moléculas, pegarles un pedacito a otras, unir dos moléculas, etc. Por tal razón, a las enzimas se les conoce como biocatalizadores.
Un poco de historia evolutiva
Hace muchos, muchos años (unos 4 mil 280 millones de años), existió un organismo hipotético, pero altamente probable, conocido como LUCA (Last Universal Common Ancestor), del cual se postula derivamos todos los organismos actualmente vivos. LUCA se traduce como: el ancestro más lejano en el tiempo, que es afín y comparte ciertas características con todos los seres vivos. Tal y como lo afirmó Charles Darwin en “El origen de las especies”, quien sostuvo que debía haber un ancestro progenitor en común para todas las especies de seres vivos.
Ese ancestro, aunque hipotético, debió ser muy diferente a los organismos de hoy, contando solo con funciones básicas para mantener la vida. Pero gracias al proceso de la evolución natural, se considera que a partir de LUCA se generaron animales, plantas, hongos, bacterias, etc., cada uno con distintas capacidades, que les permitieron adaptarse a todos los ecosistemas de la tierra.
Como ejemplo tenemos a las esponjas de mar y los seres humanos, dos animales con morfología, hábitos y hábitats evidentemente distintos. Mientras que los humanos gustan de caminar por los suburbios de una gran ciudad y necesitan respirar aire para proveerse de oxígeno fuera del agua, las esponjas no poseen esqueleto para poder caminar, y permanecen ancladas al fondo del mar, extrayendo sus alimentos por filtración. Al ser clasificados como animales, comparten algunas características en común como ser eucariotas (sus células tienen un núcleo que contiene el material genético), pluricelulares y heterótrofos (no puede producir su propio alimento por lo que debe consumirlo de otros organismos), pero mientras que los humanos son tisulares (tienen tejidos), las esponjas son poríferos (contienen poros por donde ingresa el agua para ser filtrada). Estas diferencias se deben a que los antepasados de estos organismos que partieron de LUCA, fueron sufriendo cambios en sus proteínas, que les permitieran subsistir ante los diferentes entornos climáticos a los que se enfrentaron a través del tiempo.
Durante este proceso, aquellos seres vivos que no fueron capaces de adaptarse a través de acumular mutaciones benéficas, que son tanto el mecanismo como la causa de la evolución natural, sucumbieron ante las inclemencias del medio ambiente, como ocurrió hace unos 2250 millones de años donde un grupo de bacterias evolucionó la capacidad de hacer fotosíntesis, lo que les daba la gran ventaja de poder utilizar la energía solar para crecer. Como efecto secundario, estas bacterias empezaron a producir cantidades enormes de oxígeno, causando el acontecimiento conocido como “gran evento de oxidación”, la primera contaminación masiva en el planeta, que ocasionó la primera extinción masiva de la que se tiene registro, ¡¡la contaminación por oxígeno!! Así es estimado lector, la primera gran contaminación del planeta fue debida al exceso de oxígeno, y solo aquellos organismos que fueron capaces de adaptar su fisiología para procesar oxígeno y descontaminarse, sobrevivieron.
Evolución dirigida de proteínas
Las proteínas son polímeros formados por pequeñas moléculas conocidas como aminoácidos, llamados así por contener en su estructura, un grupo amino y un grupo carboxilo de carácter ácido. Si bien existen miles de moléculas que son aminoácidos porque tienen un grupo amino y un grupo carboxilo, las proteínas de todos los organismos de la tierra solo utilizan un grupo estándar de 20 aminoácidos que están codificados en el código genético que es universal para todos los descendientes de LUCA. Cada uno de estos aminoácidos tiene propiedades físicas y químicas distintas. Estos aminoácidos se encuentran unidos entre sí, formando cadenas largas, conteniendo de decenas a miles de aminoácidos. Por su naturaleza, la secuencia de aminoácidos determina la identidad de cada proteína y esta secuencia tiene toda la información necesaria para que la proteína se pliegue de manera que adopte una conformación específica que las distinga y le de su capacidad catalítica al colocar en posiciones clave, los aminoácidos que ayudan a transformar a las moléculas llamadas sustratos.
Si un aminoácido es reemplazado por otro, y le confiere una mejor función a la proteína, éste se fijará en su progenie, ya que, al heredarlo, el descendiente será más competitivo. Por el contrario, los cambios que conducen a una disminución de función de la proteína ocasionan que el organismo que la porta muera rápidamente sin dejar progenie, por tanto, estos cambios se pierden a lo largo de la evolución.
Hoy, con los avances de la ciencia, podemos hacer que las proteínas evolucionen en periodos más cortos de tiempo. Sabiendo que el orden en que se unen los aminoácidos para formar una proteína esta codificado en el ácido desoxirribonucleico (ADN), y con la ayuda de la biología molecular moderna, podemos alterar la secuencia silvestre aminoacídica de las proteínas, creando nuevas variantes con propiedades catalíticas distintas, de manera similar a lo que sucede en la Naturaleza.
Una técnica que utilizamos en el Instituto de Biotecnología de la UNAM para tal efecto es la “Evolución dirigida de proteínas”, que imita el proceso de evolución en los seres vivos. Esta consiste en la acumulación de mutaciones (cambios de unos aminoácidos por otros), causada por una presión selectiva, permitiendo y promoviendo que sólo aquellas mutaciones que mejoran la actividad de la enzima se acumulen.
En la evolución dirigida, el investigador es quien impone esa presión selectiva, la cual puede variar. Por citar algunos ejemplos, se puede seleccionar para aumentar la estabilidad de las proteínas, o para hacerlas más eficientes, e incluso, para cambiar a la molécula que esas enzimas transforman (es decir, cambiar su especificidad), de manera que ahora pueda utilizar moléculas que la enzima silvestre no podía procesar al inicio, e incluso moléculas que nunca hayan sido parte del metabolismo de los seres vivos, pero que aporten un beneficio a estos. Para lograr esto, se reemplaza un aminoácido por otro (por ejemplo, fenilalanina por valina) en cierta región de la proteína, como se describió anteriormente
Esto permite producir nuevas enzimas, y en algunos casos, estas se pueden usar para beneficiar la salud humana, dando como resultado nuevos biocatalizadores capaces de generar productos deseados (como los utilizados en la industria farmacéutica y cosmética) con un mayor rendimiento y lo más importante, mediante una reacción que se lleva a cabo a temperatura ambiente y en medio acuoso, que son condiciones no contaminantes del medio ambiente, a diferencia de muchos procesos de síntesis química utilizados en la industria, algunos de los cuales utilizan, además de altas temperaturas, catalizadores químicos que pueden ser tóxicos como es el caso del vanadio.
Como ejemplos de mutación sitio-dirigida que han mostrado beneficios, tenemos a los citocromos, moléculas que se encuentran en todos los reinos de la vida. En el caso del citocromo P450cam, al cual se le modificaron los residuos 87 y 96 de su secuencia de aminoácidos, y entonces fue capaz de producir nootkatol (una fragancia) a partir de valenceno, una molécula encontrada en las naranjas. En el caso del citocromo P450 CYP199A2, se le modificó el residuo 185, lo que dio como resultado un incremento en el rendimiento de ácido cafeico (antioxidante, anticancerígeno y antiinflamatorio) a partir de ácido ρ-cumárico.