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Cómo codificar una máquina molecular funcional?- Fuente:
- Instituto de Ciencias Básicas
- Resumen:
- Un equipo internacional ha desarrollado un modelo que simula la evolución de las proteínas. A partir de proteínas rígidas y no funcionales, el modelo de computadora muestra cómo los componentes de proteínas en evolución pueden trabajar juntos para dar lugar a máquinas moleculares dinámicas y eficientes.
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HISTORIA COMPLETA
(A) Cuando una proteína se une a un ligando, se somete a un movimiento a gran escala (flechas) que son las firmas de las proteínas funcionales de flexión. Esto es posible solo gracias a la presencia de ciertas regiones de «disquete» («banda de corte» rosada) a través de la proteína que separa las regiones rígidas (azules) de la proteína en dos dominios. (B) – (D) El equipo modeló una proteína de 200 aminoácidos durante diferentes etapas de la evolución: pasó de un estado no funcional (B) a uno funcional (D). La proteína se modela como una red de resorte elástico con dos tipos de aminoácidos, modelados como perlas: los aminoácidos rosados son flexibles y los aminoácidos azules son rígidos. Los investigadores imitan la evolución al cambiar un aminoácido aleatorio en el momento (mutación) del rosa al azul. Inicialmente, la proteína es principalmente rígida y no funcional. Durante la evolución, se agregan aminoácidos flexibles, algunos útiles, otros no. Con el tiempo, se forma una región «disquete» en el centro de la molécula que hace que la proteína sea más flexible para doblarse y unirse al ligando. El modelo estimó que se alcanza una solución eficiente después de un millar de mutaciones.Crédito: IBSUn equipo internacional ha desarrollado un modelo que simula la evolución de las proteínas. A partir de proteínas rígidas y no funcionales, el modelo de computadora muestra cómo los componentes de proteínas en evolución pueden trabajar juntos para dar lugar a máquinas moleculares dinámicas y eficientes. La flexibilidad permite a las proteínas cambiar su conformación 3D para unir otras moléculas: esta propiedad es crucial para su función. Prof. Tsvi Tlusty y Dr. Sandipan Dutta en el Center for Soft and Living Matter, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), en colaboración con el Prof. Albert Libchaber de la Universidad Rockefeller y el Prof. Jean-Pierre Eckmann de la Universidad de Ginebra han imitado la evolución genética para obtener proteínas que pueden doblarse y unirse a otras moléculas. La comprensión de esta relación es uno de los aspectos más buscados de la biología proteínica;
La evolución ha dado forma al mundo viviente que vemos a nuestro alrededor durante miles de millones de años. Zillones de proteínas trabajan armoniosamente para mantener en marcha estos procesos de vida. Son responsables del buen funcionamiento de cualquier organismo: reconocen otras moléculas (ligandos), se unen a ellos y los convierten. Otros tienen función de transporte, proporcionan estructura y soporte para las celdas. Los genes almacenan la información sobre la producción y el diseño de estas máquinas moleculares. Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, redactar el «mapa» que dibuja el camino de los genes a la función de la proteína no es trivial.
Según una hipótesis reciente, la función de la proteína depende de «articulaciones flexibles». Este estudio, publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS)), examina el vínculo entre la función y la flexibilidad modelando proteínas como redes elásticas. En este modelo, las proteínas están hechas de aminoácidos flexibles (polares) y rígidos (hidrófobos) conectados por «resortes» moleculares. Si algunas regiones de la proteína son lo suficientemente flexibles, forman un canal «disquete», y toda la máquina molecular puede doblarse como una bisagra. Este movimiento les permite unirse efectivamente a otras moléculas. La unión entre un ligando y una proteína rígida o flexible puede considerarse como una pelota que aterriza sobre una roca o una almohada blanda. Es probable que la pelota rebote después de golpear la roca, pero es más probable que la almohada la acepte. Por lo tanto, la proteína flexible es una mejor aglutinante.
En este modelo, los genes almacenan los detalles del diseño de la proteína de una manera binaria: los aminoácidos flexibles se almacenan como ceros y aminoácidos rígidos como tales. Como resultado, toda la estructura de la proteína se puede simplificar como un código, como 11110001 … 111, similar a la memoria digital de una computadora. Sin embargo, no todos los códigos dan lugar a proteínas funcionales, por ejemplo, un código con solo uno: 111111 … 1111, daría lugar a una proteína completamente rígida, incapaz de moverse y no funcional. Entre todos los códigos posibles, solo algunos producen una proteína funcional con una región «flexible» en el centro que puede dar la bienvenida al ligando.
El modelo imita la evolución cambiando un aminoácido aleatorio a la vez. Durante la evolución, los ceros y unos en el gen se invierten al azar a través de un proceso llamado mutación. La mayoría de las mutaciones no aportan ninguna diferencia ni conducen a proteínas no funcionales, pero algunas mutaciones raras pueden dar lugar a una proteína más eficiente. Esencialmente, tanto las proteínas funcionales como las no funcionales se producen durante la evolución, pero de acuerdo con la teoría de Darwin de «supervivencia del más apto», solo se conservan las proteínas funcionales y finalmente las proteínas no funcionales desaparecen.
¿Cómo se ve un código «funcional»? La respuesta no es directa. De hecho, el número de códigos de una proteína funcional, incluso una proteína simple, es enorme, más grande que el tamaño del universo. Sin embargo, utilizando técnicas de análisis de datos, es posible buscar patrones ocultos en todos los códigos funcionales para buscar algunas características unificadoras. Por ejemplo, el canal «disquete» en la proteína tiene características interesantes y peculiares, y una mutación en un extremo del canal tiene efectos de largo alcance que pueden afectar fuertemente el mantenimiento de las mutaciones de otros aminoácidos distantes.
«En el futuro, planeamos explorar cómo aplicar este estudio a las proteínas reales, como las quinasas», dijo el líder del grupo Tsvi Tlusty, corresponsal en el estudio. «Además, el estudio abre vías para investigar la evolución de otras funciones de proteínas, como el reconocimiento molecular. El uso de grandes bases de datos, que se han desarrollado a través de años de investigación, probablemente pueda descubrir algunos fenómenos subyacentes sobre la evolución de las proteínas».
Un equipo internacional ha desarrollado un modelo que simula la evolución de las proteínas. A partir de proteínas rígidas y no funcionales, el modelo de computadora muestra cómo los componentes de proteínas en evolución pueden trabajar juntos para dar lugar a máquinas moleculares dinámicas y eficientes. La flexibilidad permite a las proteínas cambiar su conformación 3D para unir otras moléculas: esta propiedad es crucial para su función. Prof. Tsvi Tlusty y Dr. Sandipan Dutta en el Center for Soft and Living Matter, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), en colaboración con el Prof. Albert Libchaber de la Universidad Rockefeller y el Prof. Jean-Pierre Eckmann de la Universidad de Ginebra han imitado la evolución genética para obtener proteínas que pueden doblarse y unirse a otras moléculas. La comprensión de esta relación es uno de los aspectos más buscados de la biología proteínica;
La evolución ha dado forma al mundo viviente que vemos a nuestro alrededor durante miles de millones de años. Zillones de proteínas trabajan armoniosamente para mantener en marcha estos procesos de vida. Son responsables del buen funcionamiento de cualquier organismo: reconocen otras moléculas (ligandos), se unen a ellos y los convierten. Otros tienen función de transporte, proporcionan estructura y soporte para las celdas. Los genes almacenan la información sobre la producción y el diseño de estas máquinas moleculares. Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, redactar el «mapa» que dibuja el camino de los genes a la función de la proteína no es trivial.
Según una hipótesis reciente, la función de la proteína depende de «articulaciones flexibles». Este estudio, publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS)), examina el vínculo entre la función y la flexibilidad modelando proteínas como redes elásticas. En este modelo, las proteínas están hechas de aminoácidos flexibles (polares) y rígidos (hidrófobos) conectados por «resortes» moleculares. Si algunas regiones de la proteína son lo suficientemente flexibles, forman un canal «disquete», y toda la máquina molecular puede doblarse como una bisagra. Este movimiento les permite unirse efectivamente a otras moléculas. La unión entre un ligando y una proteína rígida o flexible puede considerarse como una pelota que aterriza sobre una roca o una almohada blanda. Es probable que la pelota rebote después de golpear la roca, pero es más probable que la almohada la acepte. Por lo tanto, la proteína flexible es una mejor aglutinante.
En este modelo, los genes almacenan los detalles del diseño de la proteína de una manera binaria: los aminoácidos flexibles se almacenan como ceros y aminoácidos rígidos como tales. Como resultado, toda la estructura de la proteína se puede simplificar como un código, como 11110001 … 111, similar a la memoria digital de una computadora. Sin embargo, no todos los códigos dan lugar a proteínas funcionales, por ejemplo, un código con solo uno: 111111 … 1111, daría lugar a una proteína completamente rígida, incapaz de moverse y no funcional. Entre todos los códigos posibles, solo algunos producen una proteína funcional con una región «flexible» en el centro que puede dar la bienvenida al ligando.
El modelo imita la evolución cambiando un aminoácido aleatorio a la vez. Durante la evolución, los ceros y unos en el gen se invierten al azar a través de un proceso llamado mutación. La mayoría de las mutaciones no aportan ninguna diferencia ni conducen a proteínas no funcionales, pero algunas mutaciones raras pueden dar lugar a una proteína más eficiente. Esencialmente, tanto las proteínas funcionales como las no funcionales se producen durante la evolución, pero de acuerdo con la teoría de Darwin de «supervivencia del más apto», solo se conservan las proteínas funcionales y finalmente las proteínas no funcionales desaparecen.
¿Cómo se ve un código «funcional»? La respuesta no es directa. De hecho, el número de códigos de una proteína funcional, incluso una proteína simple, es enorme, más grande que el tamaño del universo. Sin embargo, utilizando técnicas de análisis de datos, es posible buscar patrones ocultos en todos los códigos funcionales para buscar algunas características unificadoras. Por ejemplo, el canal «disquete» en la proteína tiene características interesantes y peculiares, y una mutación en un extremo del canal tiene efectos de largo alcance que pueden afectar fuertemente el mantenimiento de las mutaciones de otros aminoácidos distantes.
«En el futuro, planeamos explorar cómo aplicar este estudio a las proteínas reales, como las quinasas», dijo el líder del grupo Tsvi Tlusty, corresponsal en el estudio. «Además, el estudio abre vías para investigar la evolución de otras funciones de proteínas, como el reconocimiento molecular. El uso de grandes bases de datos, que se han desarrollado a través de años de investigación, probablemente pueda descubrir algunos fenómenos subyacentes sobre la evolución de las proteínas».
