El estudio de los principales actores de la vida

Las macromol¨¦culas biol¨®gicas son los actores principales de los procesos de la vida, ya sean beneficiosos o perjudiciales para la salud. El Premio Nobel de Qu¨ªmica de este a?o ha galardonado a tres cient¨ªficos que han sido l¨ªderes de la investigaci¨®n sobre estas biomol¨¦culas en sus respectivos campos. Las investigaciones de John Fenn y Koichi Tanaka en espectrometr¨ªa de masas y de Kurt W¨¹thrich en resonancia magn¨¦tica nuclear (RMN) han permitido disponer de herramientas, hoy en d¨ªa imprescindibles, para conocer a fondo la estructura primaria y la tridimensional de prote¨ªnas y ¨¢cidos nucleicos. Aunque las investigaciones de estos cient¨ªficos pueden enmarcarse dentro de la investigaci¨®n b¨¢sica en dos disciplinas de la qu¨ªmica que se encuentran en la frontera con la biolog¨ªa y la biomedicina, no cabe duda que su desarrollo tiene una clara aplicaci¨®n y una amplia repercusi¨®n en nuestra sociedad.

Si una prote¨ªna es un edificio arquitect¨®nico, los amino¨¢cidos son las vigas de dicho edificio

La energ¨ªa utilizada es tan peque?a que la prote¨ªna se puede recuperar

Desde una perspectiva general, la investigaci¨®n de los tres laureados se sit¨²a en el camino hacia el intento de establecer una relaci¨®n entre la estructura de las macromol¨¦culas biol¨®gicas (fundamentalmente prote¨ªnas y ¨¢cidos nucleicos, y, en menor medida, hidratos de carbono) y la funci¨®n que desempe?an en los procesos directamente relacionados con la vida. Si consideramos un s¨ªmil en el que una prote¨ªna es un edificio arquitect¨®nico, podr¨ªamos concebir que los amino¨¢cidos son las vigas de dicho edificio. Con las mismas vigas, colocadas de distinta manera, pueden construirse edificios (prote¨ªnas) diferentes con diferentes funciones, que muestran distintas arquitecturas en tres dimensiones, dejan huecos, hendiduras (ventanas) y tienen salientes (cornisas), en funci¨®n de la manera en que se coloquen. Dependiendo de c¨®mo sean estas formas, pueden recibir informaci¨®n de otras mol¨¦culas (otras prote¨ªnas, ¨¢cidos nucleicos o mol¨¦culas peque?as -f¨¢rmacos-) a trav¨¦s 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 aplicaci¨®n de m¨¦todos de espectrometr¨ªa de masas para la identificaci¨®n y el conocimiento preciso del peso molecular y la estructura primaria de estas biomol¨¦culas. Es decir, se trata de averiguar el tama?o exacto y cu¨¢les son los componentes individuales de la macromol¨¦cula (amino¨¢cidos, en el caso de una prote¨ªna y nucle¨®tidos, en el de un ¨¢cido nucleico) y, en casos favorables, en qu¨¦ orden se encuentran. Para conseguir este prop¨®sito, la biomol¨¦cula se somete a una fuente de energ¨ªa y proporciona una respuesta determinada de acuerdo con su masa y su carga el¨¦ctrica. El an¨¢lisis de esta respuesta proporciona la informaci¨®n deseada. La biomol¨¦cula no se puede recuperar despu¨¦s del experimento, pero las t¨¦cnicas de espectrometr¨ªa de masas desarrolladas a partir de los trabajos de Fenn y Tanaka permiten realizar los an¨¢lisis con cantidades m¨ªnimas de la prote¨ªna. Esta metodolog¨ªa es hoy fundamental para desarrollar proyectos en prote¨®mica.

En un nivel quiz¨¢ conceptualmente m¨¢s elevado, la investigaci¨®n dirigida por W¨¹thrich se ha orientado hacia la aplicaci¨®n de m¨¦todos de RMN para la descripci¨®n, a escala at¨®mica, de la estructura tridimensional (el edificio arquitect¨®nico) de estas prote¨ªnas y ¨¢cidos nucleicos, en disoluci¨®n, en unas condiciones muy pr¨®ximas al medio fisiol¨®gico real. Simplemente mencionar que la palabra nuclear, en este contexto, no se debe a la existencia de radiactividad, sino que solamente se refiere a fen¨®menos que ocurren en los n¨²cleos at¨®micos, en presencia de campos magn¨¦ticos intensos. Volviendo al merecido galard¨®n a W¨¹thrich y su implicaci¨®n en la mejora de nuestra sociedad, debemos constatar que si una prote¨ªna dada est¨¢ implicada en un proceso perjudicial para nuestra salud, el conocimiento detallado de su arquitectura es fundamental para el dise?o de otras mol¨¦culas (f¨¢rmacos) que impidan dicho proceso, mediante su ajuste en el sitio adecuado (hendidura, saliente) de la prote¨ªna, produciendo el bloqueo subsiguiente de su actividad nociva.

Esta ha sido la aportaci¨®n fundamental de W¨¹thrich en el Instituto Polit¨¦cnico de Z¨¹rich (ETH): el desarrollo de un protocolo eficaz, y de aplicabilidad general, que permita deducir la estructura tridimensional de las macromol¨¦culas de la vida. Este protocolo se basa en una inteligente combinaci¨®n de experimentos de RMN (cuya base hab¨ªa sido desarrollada en el ETH por R. Ernst, premio Nobel de Qu¨ªmica en 1991) y de m¨¦todos computacionales, relativamente sencillos y de f¨¢cil instalaci¨®n en distintos laboratorios. Los experimentos de RMN permiten deducir las distancias a las que se encuentran los ¨¢tomos que componen las macromol¨¦culas biol¨®gicas. Aunque las distancias que pueden determinarse son muy peque?as (menores de 6 angstr?ms), la combinaci¨®n de distintos experimentos permite determinarlas de modo muy preciso. La evaluaci¨®n simult¨¢nea, mediante programas de ordenador, de centenares de estas distancias, medidas para un buen n¨²mero de ¨¢tomos pertenecientes a los distintos amino¨¢cidos que forman la prote¨ªna, permite determinar la arquitectura de la misma con una precisi¨®n excelente. La energ¨ªa utilizada por los aparatos de RMN es tan peque?a que la prote¨ªna se puede recuperar y utilizar varias veces. Si bien, hasta hace pocos a?os, exist¨ªa un l¨ªmite de aplicabilidad de la RMN respecto al tama?o de la mol¨¦cula, en torno a los 30 kDa (unos 300 amino¨¢cidos), recientemente W¨¹thrich ha extendido la t¨¦cnica y ha conseguido realizar experimentos con entidades macromoleculares de hasta 900 kDa, tal y como coment¨® recientemente en Madrid, con motivo de su asistencia al homenaje a Manuel Rico, pionero del desarrollo de la RMN en nuestro pa¨ªs.

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 disoluci¨®n, no existe necesidad de cristalizar (en muchos casos, el cuello de botella del uso de los rayos X, que operan en estado s¨®lido) y pueden medirse efectos din¨¢micos, efectos de asociaci¨®n a ligandos y efectos del medio (pH, sal, temperatura), as¨ª como determinar las estructuras bioactivas de f¨¢rmacos, de un modo relativamente f¨¢cil. De todas las estructuras tridimensionales de prote¨ªnas conocidas, aproximadamente un 20% han sido determinadas mediante RMN. En resumen, la RMN permite obtener medidas ¨²nicas, en algunos casos hasta imprescindibles, para relacionar estructura y din¨¢mica con funci¨®n biol¨®gica.

Esperamos que este premio Nobel potencie este tipo de investigaci¨®n en la frontera entre la qu¨ªmica y la biolog¨ªa, de poca tradici¨®n en nuestro pa¨ªs, y en el que recientemente el CSIC y otras instituciones, est¨¢n realizando una inversi¨®n considerable para que los grupos que desarrollamos nuestras investigaciones en este ¨¢mbito podamos competir a nivel europeo e internacional.

J. Jim¨¦nez y G. Gim¨¦nez son Profesores de Investigaci¨®n del Centro de Investigaciones Biol¨®gicas (CSIC).