Por Gaspar Grieco | Fotos: Leandro Martínez

¿Qué se necesita para que la vida exista? Seguramente, usted habrá pensado en el agua y en el aire, lo que no está mal. Pero ¿qué otro factor permite que la vida humana y animal pueda prosperar y adaptarse? Esta pregunta quizá resulte más compleja. Por lo pronto, la respuesta es conocida en el mundo científico: se trata de las proteínas.

Las proteínas son esenciales para la vida y su estudio puede abordarse desde distintas disciplinas. Los investigadores del Centro de Estudios Multidisciplinarios en Sistemas Complejos y Ciencias del Cerebro (CEMSC3) de la Escuela de Ciencia y Tecnología (ECyT) lo hacen desde la física y los resultados comienzan a tener repercusión internacional: los últimos avances fueron publicados en Physical Review Letters y en AIP Advances, dos de las revistas científicas internacionales especializadas en física más importantes.

Dante Chialvo, director del CEMSC3 e investigador principal del CONICET, explica que, “para entender cualquier proceso celular, es fundamental entender el funcionamiento y la interacción de las proteínas, que son el ‘átomo’ de todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos”.

Pero ¿cómo se estudian las proteínas en física? Ignacio General, otro de los investigadores del CONICET en la ECyT, lo explica de este modo: “Los físicos estamos acostumbrados a sobresimplificar los problemas y a estudiar las cosas como si fueran ‘pelotitas’. En el caso de las proteínas, esas ‘pelotitas’ son los aminoácidos que, cuando se unen, forman cadenas denominadas péptidos. A su vez, los péptidos forman proteínas”.

Eliana Asciutto, investigadora del CONICET en la ECyT y autora —junto con General— del trabajo publicado en AIP Advances, completa la explicación: “El trabajo del físico está en definir cómo son las interacciones de esas pelotitas para luego poder predecir, mediante cálculos computacionales, cómo se van a mover y qué van a generar”.

Hoy el estudio de las proteínas (proteómica) está a la vanguardia en el mundo: con el fin de generar tratamientos para diversas enfermedades, los principales laboratorios realizan pruebas de mutación de proteínas que derivarán en la creación de nuevos fármacos. “La ingeniería en proteínas busca modificar partes de la estructura original de la proteína que, por predicción de cálculos computacionales, se espera que produzca un determinado efecto”, amplía Chialvo.

Simulaciones computacionales de proteínas

El baile crítico de las proteínas

Junto con Qian-Yuan Tang, un joven estudiante graduado en física de la Universidad de Nanjing —una de las mas importantes de China— Chialvo estudió durante 2015 la base de datos pública de proteínas Protein Data Bank, en la que están depositados los datos de alrededor de diez mil proteínas, y cuantificó mediante cálculos matemáticos computarizados las pequeñas fluctuaciones que sufre espontáneamente la forma de cada proteína.

Luego de meses de estudio, los cálculos de Tang y Chialvo comenzaron a revelar que esas fluctuaciones muestran que la mayoría de las proteínas no son ni demasiado rígidas ni demasiado flexibles, sino que adoptan un comportamiento intermedio, es decir —en el idioma de la física— crítico. “Esto es así porque, en cualquier proceso celular, las proteínas deben poder sensar los cambios a su alrededor, por lo que cambian levemente su forma. Si una proteína fuese demasiado rígida o demasiado flexible no serviría a esa función fundamental. El término intermedio entre el orden y el desorden es la criticalidad”, explica Chialvo.

Dante Chialvo

Estos estudios son parte de la misión del CEMSC3, dedicado a investigar el comportamiento de diversos sistemas complejos desde la física estadística, enfatizando el estudio de los fenómenos que emergen de la interacción de los múltiples elementos que componen un determinado sistema. El cerebro, por ejemplo, es abordado por esta disciplina en su totalidad; es decir que no se lo estudia reduciendo sus partes —como sí lo hizo con éxito la fisiología tradicional—, sino que se presta especial atención al resultado de sus muchas partes en interacción.

Un dato interesante es que la física estadística se maneja por postulados universales, por lo que sus mediciones pueden ser aplicadas a todos los sistemas complejos, como en el caso de las interacciones entre las proteínas. “Cuando miramos la misma proteína muchas veces, se observa que fluctúa del mismo modo que en cualquier otro sistema crítico. Esto es importante porque nos permite establecer que el estado natural de la mayoría de las proteínas es crítico, con lo cual se abren nuevas perspectivas para su estudio”, completa Chialvo.

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Simulando proteínas

Por su parte, Asciutto y General realizaron simulaciones computacionales del movimiento de las proteínas y péptidos. Pero su trabajo no terminó allí: también lograron simular el modo en que ciertas moléculas podrían interactuar con la membrana de una célula y penetrarla.

“Vimos que hay un tipo de péptido (el CPP) que, por sus características, tiene facilidad para penetrar la membrana y entrar en la célula. Esto lo hace un buen candidato para ingresar con drogas específicas al interior de la célula, algo que tendrían una acción muy efectiva en diversos tratamientos”, señala General.

Al respecto, Asciutto, añade que esta podría ser una muy buena herramienta para eliminar tumores: “Cuando tratamos el cáncer con métodos tradicionales (quimioterapia y radioterapia) lo que hacemos es bombardear todo el organismo atacando las células enfermas, pero también, las sanas. Con este nuevo método, solo atacaríamos la célula tumoral y la romperíamos desde adentro. Es decir que, con el uso de fármacos en CPP, ya no generaríamos efectos adversos al organismo”.

Complementariamente, las simulaciones computacionales permiten determinar el movimiento de aquellas proteínas que, por su naturaleza intrínsecamente desordenada, no pueden ser observadas con detalle en el laboratorio. “Si bien estas proteínas se mueven mucho, con la imágenes que obtenemos de la simulación en la computadora podemos determinar sus estructuras”, explica General.

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Dos papers, un mismo fin

A partir de los resultados de las dos investigaciones desarrolladas en la UNSAM, hoy los científicos trabajan con un objetivo en común: la construcción de modelos de simulación dinámica para el análisis avanzado del movimiento de las proteínas.

Chialvo adelantó que “la idea es reproducir en modelos computacionales la criticalidad observada y estudiar las fluctuaciones con más cuidado” y destacó: “Todos estos esfuerzos de colaboración ayudan a construir equipos multidisciplinarios que mejoran nuestra oferta académica y científica. Institucionalmente y personalmente estamos muy complacidos de poder participar de esta sinergia”.

Los investigadores ya están en la búsqueda de un nuevo tesista doctoral. “Es muy importante contar con recursos humanos y poder relacionarnos para hacer ciencia de primer nivel. Podemos tener una supercomputadora, pero si no somos capaces de generar esa sinergia, los esfuerzos no sirven”, concluye Asciutto.

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