El estudio de los principales actores de la vida

Las macromoléculas biológicas son los actores principales de los procesos de la vida, ya sean beneficiosos o perjudiciales para la salud. El Premio Nobel de Química de este año ha galardonado a tres científicos que han sido líderes de la investigación sobre estas biomoléculas en sus respectivos campos. Las investigaciones de John Fenn y Koichi Tanaka en espectrometría de masas y de Kurt Wüthrich en resonancia magnética nuclear (RMN) han permitido disponer de herramientas, hoy en día imprescindibles, para conocer a fondo la estructura primaria y la tridimensional de proteínas y ácidos nucleicos. Aunque las investigaciones de estos científicos pueden enmarcarse dentro de la investigación básica en dos disciplinas de la química que se encuentran en la frontera con la biología y la biomedicina, no cabe duda que su desarrollo tiene una clara aplicación y una amplia repercusión en nuestra sociedad.

Si una proteína es un edificio arquitectónico, los aminoácidos son las vigas de dicho edificio

La energía utilizada es tan pequeña que la proteína se puede recuperar

Desde una perspectiva general, la investigación de los tres laureados se sitúa en el camino hacia el intento de establecer una relación entre la estructura de las macromoléculas biológicas (fundamentalmente proteínas y ácidos nucleicos, y, en menor medida, hidratos de carbono) y la función que desempeñan en los procesos directamente relacionados con la vida. Si consideramos un símil en el que una proteína es un edificio arquitectónico, podríamos concebir que los aminoácidos son las vigas de dicho edificio. Con las mismas vigas, colocadas de distinta manera, pueden construirse edificios (proteínas) diferentes con diferentes funciones, que muestran distintas arquitecturas en tres dimensiones, dejan huecos, hendiduras (ventanas) y tienen salientes (cornisas), en función de la manera en que se coloquen. Dependiendo de cómo sean estas formas, pueden recibir información de otras moléculas (otras proteínas, ácidos nucleicos o moléculas pequeñas -fármacos-) a través de contactos con estos huecos, hendiduras o salientes, y activar o ralentizar un determinado proceso.

En concreto, los trabajos de Fenn y Tanaka se han enfocado hacia el desarrollo y aplicación de métodos de espectrometría de masas para la identificación y el conocimiento preciso del peso molecular y la estructura primaria de estas biomoléculas. Es decir, se trata de averiguar el tamaño exacto y cuáles son los componentes individuales de la macromolécula (aminoácidos, en el caso de una proteína y nucleótidos, en el de un ácido nucleico) y, en casos favorables, en qué orden se encuentran. Para conseguir este propósito, la biomolécula se somete a una fuente de energía y proporciona una respuesta determinada de acuerdo con su masa y su carga eléctrica. El análisis de esta respuesta proporciona la información deseada. La biomolécula no se puede recuperar después del experimento, pero las técnicas de espectrometría de masas desarrolladas a partir de los trabajos de Fenn y Tanaka permiten realizar los análisis con cantidades mínimas de la proteína. Esta metodología es hoy fundamental para desarrollar proyectos en proteómica.

En un nivel quizá conceptualmente más elevado, la investigación dirigida por Wüthrich se ha orientado hacia la aplicación de métodos de RMN para la descripción, a escala atómica, de la estructura tridimensional (el edificio arquitectónico) de estas proteínas y ácidos nucleicos, en disolución, en unas condiciones muy próximas al medio fisiológico real. Simplemente mencionar que la palabra nuclear, en este contexto, no se debe a la existencia de radiactividad, sino que solamente se refiere a fenómenos que ocurren en los núcleos atómicos, en presencia de campos magnéticos intensos. Volviendo al merecido galardón a Wüthrich y su implicación en la mejora de nuestra sociedad, debemos constatar que si una proteína dada está implicada en un proceso perjudicial para nuestra salud, el conocimiento detallado de su arquitectura es fundamental para el diseño de otras moléculas (fármacos) que impidan dicho proceso, mediante su ajuste en el sitio adecuado (hendidura, saliente) de la proteína, produciendo el bloqueo subsiguiente de su actividad nociva.

Esta ha sido la aportación fundamental de Wüthrich en el Instituto Politécnico de Zürich (ETH): el desarrollo de un protocolo eficaz, y de aplicabilidad general, que permita deducir la estructura tridimensional de las macromoléculas de la vida. Este protocolo se basa en una inteligente combinación de experimentos de RMN (cuya base había sido desarrollada en el ETH por R. Ernst, premio Nobel de Química en 1991) y de métodos computacionales, relativamente sencillos y de fácil instalación en distintos laboratorios. Los experimentos de RMN permiten deducir las distancias a las que se encuentran los átomos que componen las macromoléculas biológicas. Aunque las distancias que pueden determinarse son muy pequeñas (menores de 6 angströms), la combinación de distintos experimentos permite determinarlas de modo muy preciso. La evaluación simultánea, mediante programas de ordenador, de centenares de estas distancias, medidas para un buen número de átomos pertenecientes a los distintos aminoácidos que forman la proteína, permite determinar la arquitectura de la misma con una precisión excelente. La energía utilizada por los aparatos de RMN es tan pequeña que la proteína se puede recuperar y utilizar varias veces. Si bien, hasta hace pocos años, existía un límite de aplicabilidad de la RMN respecto al tamaño de la molécula, en torno a los 30 kDa (unos 300 aminoácidos), recientemente Wüthrich ha extendido la técnica y ha conseguido realizar experimentos con entidades macromoleculares de hasta 900 kDa, tal y como comentó recientemente en Madrid, con motivo de su asistencia al homenaje a Manuel Rico, pionero del desarrollo de la RMN en nuestro país.

Desde un punto de vista intuitivo, el uso de la RMN tiene ciertas ventajas y es complementario al uso de rayos X (premios Nobel para M. Perutz en 1962 y para R. Huber en 1989), ya que opera en disolución, no existe necesidad de cristalizar (en muchos casos, el cuello de botella del uso de los rayos X, que operan en estado sólido) y pueden medirse efectos dinámicos, efectos de asociación a ligandos y efectos del medio (pH, sal, temperatura), así como determinar las estructuras bioactivas de fármacos, de un modo relativamente fácil. De todas las estructuras tridimensionales de proteínas conocidas, aproximadamente un 20% han sido determinadas mediante RMN. En resumen, la RMN permite obtener medidas únicas, en algunos casos hasta imprescindibles, para relacionar estructura y dinámica con función biológica.

Esperamos que este premio Nobel potencie este tipo de investigación en la frontera entre la química y la biología, de poca tradición en nuestro país, y en el que recientemente el CSIC y otras instituciones, están realizando una inversión considerable para que los grupos que desarrollamos nuestras investigaciones en este ámbito podamos competir a nivel europeo e internacional.

J. Jiménez y G. Giménez son Profesores de Investigación del Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC).