bionanotecnología

Imitando a la Naturaleza: Diseño Molecular de un Virus

Cuando se inicia una nueva investigación uno nunca sabe que tan lejos podrá llegar, aunque uno supone que no tan lejos porque suele pasar que en ciencia uno va caminando muy lentamente. Pocos son los que han encontrado en su investigación la rendija que los llevará al otro lado, ese lado tan anhelado pero poco visitado. Eso es lo que pensaba hasta hace unos meses cuando los resultados de mi investigación empezaron a mostrar que el tiro por el que apostamos dio al blanco y así lo confirmaban experimentos sucesivos. La Composición Determina La Función

Empezaré explicando lo básico. Como todos saben toda la materia está hecha de átomos y moléculas y dependiendo de cómo estén arreglados en el espacio y tiempo es como serán sus propiedades. Esto también aplica para la materia biológica, la que está compuesta de biomoléculas, ya sabes, proteínas, ácidos nucleicos (ADN o ARN), lípidos y carbohidratos. La materia biológica también está ordenada en el espacio y tiempo aunque, no está de más decirlo, particularmente de manera muy precisa y compleja. Me detendré a explicar con más detalle este dato que es sumamente importante. Debido a su carácter polimérico1, las biomoléculas forman estructuras regulares; esto significa que despliegan ciertos grupos químicos con orientación espacial fija, lo cual condiciona las interacciones que establecen con otras biomoléculas tanto en el tiempo y espacio y, por lo tanto, las propiedades de esa biomolécula en particular están determinadas. Por interacciones me refiero a fuerzas de atracción o repulsión hacia otros grupos químicos desplegados por otras (bio)moléculas, incluyendo las moléculas de agua. Todo esto depende en última estancia de la composición particular de la biomolécula. Es decir la composición de las biomoléculas codifica para su funcionalidad. Así es que conociendo la composición de una biomolécula en particular y sabiendo como se despliega en el espacio es posible predecir y modificar sus propiedades, o bien crear una biomolécula desde cero o de novo con ciertas propiedades. Esto es uno de los paradigmas más importantes de la química actual, es el engranaje que mueve la maquinaria de la (bio)nanotecnología. Se puede intuir la gran capacidad que tiene para revolucionar el estado actual de la tecnología.

Esta impresionante capacidad actual de la química es resultado de las pasadas décadas de estudio intensivo y acelerado de las propiedades básicas de la (bio)materia y de entender sus interacciones, desarrollar modelos para cuantificarlas y poder predecir sus efectos. A la par, han llegado otros desarrollos tecnológicos que permiten un rápido estudio de la ingeniería biomolecular, microscopios de fuerza atómica (que permiten ver y manipular átomos y moléculas individuales), de fluorescencia (entender interacciones y dinámicas), estandarización de métodos de biología molecular (para poder producir cualquier proteína exista o no en la naturaleza).

Diseñando (Bio)Moléculas Con Propiedades Específicas

Con esta capacidad para predecir las propiedades de nuevas (bio)moléculas los científicos hemos empezado a preguntarnos: ¿podemos diseñar (bio)moléculas que puedan imitar estructuras de la naturaleza tales como las encontradas en la fotosíntesis (para obtención de energía), o las capsulas virales (para tener sistemas de entrega de medicamentos mucho más eficientes) y usarlas para nuestro beneficio? La respuesta es sí.

Diseñando Partículas Virales Artificiales

Cuando inicié mi proyecto de doctorado mis supervisores me decían que no teníamos necesariamente que lograr lo que estaba planteado por escrito en la propuesta de anteproyecto, que usualmente, aunque se tiene como objetivo, no se alcanza. Bien, si la naturaleza ya lo ha logrado, ¿por qué no usarla como fuente de inspiración?

Si tomamos un virus muy sencillo, como el virus del mosaico del tabaco (VMT) y analizamos sus componentes, podemos distinguir que está compuesto por una sola molécula de ARN recubierta por alrededor de 2000 copias de una proteína, formando una estructura alargada de aproximadamente 300 nanómetros (parecen rodillos rígidos) donde el ARN se encuentra en el interior (ver figura 1). Parece ser que la cápsula (el recubrimiento) es bastante sencilla, solo un tipo de proteína que se ordena alrededor del ARN. ¿Como está diseñada esta proteína que al mezclarla con el ARN forma espontáneamente estructuras regulares capaces de infectar células de las hojas del tabaco? Como se pueden dar cuenta, el diseño mínimo de una partícula viral recae en el diseño de la cubierta proteínica, ya que básicamente ella realiza todas las funciones esenciales.

VirusMT

Figura 1. Virus del Mosaico del Tabaco (VMT). 1) ARN 2) Sub-unidad proteínica de la cubierta 3) Partículas virales ensambladas (Crédito de la imagen: Splette)

Si analizamos la proteína de la cubierta del virus podemos distinguir partes de ella que realizan funciones fundamentales (ver figura 2), 1) unión al ácido nucleico (ARN), 2) Auto-ensamblaje alrededor del ARN (establece interacciones entre proteínas adyacentes de manera coordinada y ordenada) 3) Estabilidad coloidal (evita que partículas virales ya formadas empiecen a agregarse entre sí o se insolubilicen, ya que partículas grandes tienden a precipitarse en solución).

Tobacco_Mosaic_Virus_structure

Figura 2. Sub-unidad proteica de la cubierta del virus del mosaico del tabaco

 Codificando La Funcionalidad En La Composición Química

¿Cómo codificar estas funciones a nivel molecular en proteínas artificiales? Imitando la química de los virus. Si se toma una secuencia de aminoácidos (de lo que están hechas las proteínas) con alta densidad de carga positiva entonces se podrán unir a los ácidos nucleicos que son negativos. Si se une a esta otra secuencia con propiedades de auto-ensamblado entonces podrás dirigir la condensación del ácido nucleico en estructuras alongadas de forma cooperativa. La propiedad de auto-ensamblado es fundamental para hacer emerger la cooperatividad, propiedad que es ubicua en todos los sistemas biológicos y que asegurará que las partículas entre el ARN y la proteína estén ensambladas completamente y por lo tanto la información genética del ácido nucleico esté protegida. La última función requerida es la estabilidad coloidal que se puede lograr si se añade una secuencia de aminoácidos que den solubilidad al agregado. Estas propiedades permitirán que las partículas penetren las células y entreguen el cargamento de ADN. No está de más decir que una partícula viral artificial formada de esta forma es totalmente segura ya que no es capaz de replicarse e infectar nuevas células ya que esas funciones no están codificadas en la cubierta diseñada.

Después de una larga labor produciendo estas proteínas, en una de esas noches largas que pasarán a la posteridad, sentado enfrente del microscopio vislumbre una imagen increíble, una serie de estructuras alargadas esparcidas por la superficie. Eran mis partículas virales con las que habíamos soñado años antes. Unos minutos antes había mezclado un poco de ADN con cierta cantidad de mi proteína diseñada. Las proteínas que diseñamos habían empezado su danza microscópica, cual historia de amor, habían sido atraídas por ese aroma negativo del ADN, y empezado a recubrirlo. Una parte de ellas , responsable del auto-ensamblado, les ordenó a todas esas proteínas reunidas alrededor del ADN actuar, condensar el ADN en una pequeña partícula de 300 nm, rígida, alargada como una fibra. Acercamiento. Esto es un virus, una partícula viral artificial, una molécula de ADN condensada por una cubierta proteínica diseñada por nosotros. La danza molecular ha terminado, ahora yo danzo, brinco y grito de emoción. ¿Hasta dónde llegará esto? Semanas después colaboradores del Centro Médico de Nimega nos confirman, esas partículas han logrado entrar a células y entregar el ADN que expresa una proteína fluorescente. Después llegaron los teóricos de la Universidad de Eindhoven y nos cuentan que el proceso físico de ensamblaje es similar al del virus del mosaico del tabaco, nuestra fuente de inspiración.

Este estudio ha demostrado que es posible codificar en diferentes secuencias las mismas funcionalidades que se requieren para crear algún material que imite a componentes biológicos. De una forma es imitar la nanotecnología de la naturaleza. El diseño de moléculas funcionales que se auto-ensamblen en nuevos materiales con propiedades controladas a la escala nanométrica ya es una realidad. El siguiente paso es ahora empezar a crear otros materiales que imiten a la naturaleza de una manera mas compleja, ensambladores de nanomateriales, sensores ultra potentes, captadores de energía solar, cápsulas que respondan a estímulos del cuerpo para que combatan una enfermedad, etc. Las perspectivas son amplias para las partículas virales diseñadas de novo. Se pueden añadir secuencias con función de reconocimiento de células enfermas (por ejemplo, cáncer) para que sean usadas para terapia génica o para entregar otros ARN de interferencia afectando mínimamente al tejido sano. También pueden ser usados para crear vacunas de diseño.

En Hombros De Gigantes

En este punto me pongo a reflexionar sobre todos esos hombres y mujeres que desde hace décadas han contribuido a entender los componentes celulares, no solo para aplicar su conocimiento sino para entender lo que somos, y que con sus contribuciones han cimentado nuestro trabajo actual: podemos diseñar moléculas con un refinamiento tal que imiten a las máquinas moleculares de la naturaleza.2

Si tienes cualquier comentario, sugerencia o pregunta no dudes en dejarla. Gracias por tu atención.

Notas

1. Un polímero es una molécula muy grande formada por múltiples repeticiones de una unidad básica.

2. Si bien la célula no es en esencia una máquina, visualizarla como tal en ciertas ocasiones trae resultados muy prácticos y espectaculares

Escrito por Armando Hernández y publicado originalmente en su blog acerca de bionanotecnología

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Acerca del autor

Armando Hernández García es Químico de Alimentos egresado de la UNAM. Obtuvo el doctorado en la Universidad de Wageningen, Holanda y actualmente realiza un postdoctorado en la Universidad de Northwestern en Chicago. Su investigación se ha enfocado a entender y controlar los principios que subyacen la formación de nanoestructuras funcionales con proteínas y su posible aplicación biomédica. Contacto: armaquim@gmail.com y blog: http://bionanotecnologias.blogspot.com.

La Bionanotecnología y sus conceptos

El vertiginoso desarrollo de la ciencia ha logrado avances impresionantes que necesitan ser divulgados entre la sociedad. Entre las nuevas fascinaciones de las mujeres y hombres de ciencia se encuentra la Bionanotecnología o también llamada Ingeniería Biomolecular, que destaca tanto por sus aportaciones a la ciencia e incidencia en el desarrollo tecnológico como por su carácter altamente interdisciplinario y polifacético donde convergen diferentes enfoques provenientes de la biología, química, física e ingeniería.

¿Qué es la bionanotecnología?

La bionanotecnología se origina de la fusión entre la nanotecnología y la biotecnología. Por un lado, la nanotecnología es la construcción y modelaje de la materia manipulando átomo por átomo aplicada en la ingeniería y manufactura a escala nanométrica. Por el otro, la biotecnología aprovecha diversas funcionalidades derivadas de procesos biológicos para aplicaciones específicas sin que importen los detalles moleculares y atómicos de las biomoléculas que llevan a cabo dichos procesos. Con base en ello, la bionanotecnología se define como la ingeniería y manufactura aplicada al diseño y modificación de los detalles atómicos de maquinarias y dispositivos moleculares basados en biomoléculas (ácido desoxirribonucleico -ADN-, proteínas, lípidos y carbohidratos) para que lleven a cabo funciones especificas a nivel nanométrico construidos mediante ensambladores biomoleculares. El rápido avance científico hace que el ámbito de influencia de la bionanotecnología aun se esté definiendo.

Para tener idea de las dimensiones de dichas máquinas es necesario decir que un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, o bien en nuestro mundo macroscópico equivaldría a comparar una moneda con el ¡diámetro de la tierra! La capacidad de visualización y manipulación de diminutos átomos y moléculas se logra con instrumentos y técnicas sofisticadas y refinadas de microscopía, cristalografía, espectroscopia y modelaje en computadora.

Las biomoléculas son las protagonistas

Las biomoléculas son los componentes de la célula desarrollados y optimizados a través de millones de años de evolución natural que mantienen la vida celular llevando a cabo todas las funciones necesarias para su crecimiento, sobrevivencia y reproducción.

A pesar de que la célula es un sistema altamente complejo, base de la vida, se puede hacer una analogía (muy pobre, pero muy efectiva) con una máquina o un sistema compuesto de varias máquinas. Por ejemplo, el flagelo bacteriano y el complejo ATP sintasa funcionan esencialmente como motores generando movimiento mecánico alrededor de un eje y bombeando protones, mientras que la miosina realiza la contracción muscular; los anticuerpos y receptores de membrana detectan diversas moléculas por lo que son sensores; la actina y los microtúbulos son vigas y soportes, las enzimas son herramientas reparadoras y constructoras, los ribosomas son los ensambladores que construyen nuevas máquinas proteínicas en líneas de producción, el ADN es el control numérico, los lípidos forman vesículas contenedoras y la membrana lipídica que rodea la célula tal como si fuera una carcasa, etcétera. Todas estas entidades biológicas son delicadas moléculas de tamaño nanométrico con propiedades basadas principalmente en la química y debido a que en esencia realizan funciones de máquinas con precisión atómica también pueden ser caracterizadas y optimizadas con enfoques de la física y la ingeniería.

La célula crea las biomoléculas

Debido a que las biomoléculas son productos exclusivos del metabolismo celular, el desarrollo de la biología molecular en las últimas décadas ha sido de gran ayuda para la bionanotecnología permitiendo conocer los detalles de los mecanismos de muchas de estas “nanomáquinas”.

De inmensa importancia ha sido el desarrollo de la tecnología del ADN recombinante en la expansión de la bionanotecnología ya que ha permitido modificar y producir en gran escala de forma barata y rápida las “bionanomáquinas” y biomateriales necesarios para la bionanotecnología. Como el ADN posee toda la información necesaria para generar una proteína funcional (la gran mayoría de las “bionanomáquinas” están compuestas de proteína), es decir, contiene secuencias de ácidos nucleicos que codifican para los aminoácidos de una proteína, solo basta alterar y editar las secuencias del ADN para modificar una proteína particular con precisión atómica y así optimizar su funcionamiento y propiedades o generar nuevas y novedosas máquinas de proteína, las cuales son producidas en gran cantidad a partir de substratos baratos al crecer la célula con el gen en particular. La capacidad de manipular la célula es sin duda un cambio de paradigma que ha revolucionado tanto la ciencia como la forma en que vemos al mundo.

La Bionanotecnología trabaja interdisciplinariamente

Además de optimizar y modificar las biomoléculas a escala nanométrica para aplicaciones específicas, la bionanotecnología se ha adentrado en nuevos caminos y consolidado como un área altamente interdisciplinaria. Fusionándose con la ciencia de materiales ha desarrollado novedosos materiales híbridos entre compuestos inorgánicos y bioorgánicos, superando así la tradicional separación entre estos dos tipos de materia y borrando las fronteras entre la materia viva e inanimada.

Esta área usa proteínas y ácidos nucleicos como unidades programables de reconocimiento molecular, las cuales son acopladas (ligadas químicamente) a nanopartículas inorgánicas con propiedades ópticas, electrónicas y catalíticas diversas e interesantes, útiles para elaborar materiales y dispositivos inteligentes basados en compuestos híbridos que se auto-ensamblan en complejos supramoleculares nanométricos usados en aplicaciones bioanalíticas y biomédicas para diagnóstico, visualización y tratamiento de enfermedades y también para computación, electrónica, óptica y manufactura molecular.

Borrando Fronteras entre la Materia

El punto cardinal en la Bionanotecnología es la materia y la disolución de la frontera bioorgánica/inorgánica. Objetos vivos e inanimados están hechos por átomos. Las propiedades de la materia cambian de acuerdo con el patrón en que estén ordenados y enlazados los diferentes átomos que la componen: carbón y diamante, arena y chips de computadora, cáncer y tejido sano, tienen cierta disposición que hace la diferencia entre lo enfermo de lo sano y lo barato de lo valioso, tal como dice el apóstol de la nanotecnología, Erik Drexler en su famoso libro Máquinas de creación.

Hemos entrado en la era conjunta de la manipulación atómica y genética. Hay muchos riesgos pero también mucho potencial, que bien balanceado y en un ambiente democrático puede ser aprovechado para atender problemáticas específicas dentro del contexto mexicano.

Así, los bionanotecnólogos han creado nuevos horizontes en la ciencia, han descubierto excitantes áreas de desarrollo tecnológico y científico, novedosas e inéditas aplicaciones de las biomoléculas y han generado hitos de interdisciplinariedad al asociar disciplinas comúnmente separadas. La pregunta es, parafraseando al Nobel Richard Feynman en su discurso inaugural de la nanotecnología, ¿habrá suficiente espacio en el fondo de nuestra mente para apoyar la bionanotecnología en México?

Escrito por Armando Hernández y publicado originalmente en su blog acerca de bionanotecnología

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Acerca del autor

Armando Hernández García es Químico de Alimentos egresado de la UNAM. Obtuvo el doctorado en la Universidad de Wageningen, Holanda y actualmente realiza un postdoctorado en la Universidad de Northwestern en Chicago. Su investigación se ha enfocado a entender y controlar los principios que subyacen la formación de nanoestructuras funcionales con proteínas y su posible aplicación biomédica. Contacto: armaquim@gmail.com y blog: http://bionanotecnologias.blogspot.com.