Sondeando la evolución de las proteínas

Las proteínas existen desde hace mucho más tiempo que nosotros; como componentes básicos de la evolución biológica, nuestra existencia depende de ellas. Y ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia están aplicando un concepto teórico del siglo XX para estudiar cómo evolucionan las proteínas, y podría conducir a la respuesta de una de las preguntas más antiguas de la humanidad: ¿Cómo nos convertimos en nosotros?

Dentro de una célula humana típica hay decenas de miles de proteínas. Necesitamos tantos porque las proteínas son los trabajadores calificados de la célula y cada uno realiza un trabajo específico. Algunos dan firmeza a las células musculares oa las neuronas. Otros se unen a moléculas específicas y específicas, transportándolas a nuevas ubicaciones. Y hay otras que activan el proceso de división y crecimiento celular.

La función específica de una proteína depende de su forma, y ​​para lograr su forma funcional, su estado nativo, una proteína se pliega. Una proteína comienza su vida como una larga cadena de aminoácidos, llamada polipéptido. La secuencia de aminoácidos determina cómo se plegará la cadena de proteínas y formará una estructura 3D compleja que permitirá que la proteína realice una tarea prevista.

En el laboratorio de Loren Williams, los investigadores están utilizando la “destrucción creativa” como modelo para la evolución e innovación de los pliegues de proteínas. El término, acuñado por el economista y politólogo austriaco Joseph Schumpeter en la década de 1940, describe el desmantelamiento deliberado de algo establecido, como el teléfono con cable, para desarrollar algo nuevo, como el teléfono inteligente.

“Tenemos estructuras de proteínas que han evolucionado durante casi cuatro mil millones de años, y realmente no entendemos de dónde vienen o cómo llegaron a ser lo que son”, dijo Claudia Alvarez-Carreño, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Williams. que se llama el Centro para el Origen de la Vida, o COOL. “Es un proceso muy complejo formar estas estructuras, y hay muchas hipótesis sobre cómo podrían haber surgido en la evolución temprana”.

Fuera lo viejo, dentro lo nuevo

Álvarez-Carreño es la autora principal del artículo, “Destrucción creativa: nuevos pliegues de proteínas a partir de lo antiguo”, publicado recientemente en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Cienciaso PNAS. Ella y sus coautores (Williams, Rohan Gupta y Anton Petrov) excavaron la historia evolutiva más profunda que se encuentra dentro de la maquinaria de traducción, que reside dentro de todas las células del ribosoma y es el lugar de nacimiento de todas las proteínas.

Los investigadores proporcionan evidencia que respalda los orígenes comunes de algunos de los pliegues de proteínas más simples, antiguos y comunes. Sugiere una forma de destrucción creativa en el trabajo, explicando cómo los pliegues de proteínas simples generan pliegues más complejos.

Descubrieron que una vez que una proteína puede plegarse y lograr su estructura 3D, cuando se combina con otra proteína que se ha plegado en una estructura 3D diferente, esa combinación puede convertirse fácilmente en una nueva estructura. “Así que tal vez no sea tan difícil como pensábamos pasar de una estructura a otra”, dijo Williams, profesor de la Facultad de Química y Bioquímica. “Y tal vez esto pueda explicar la diversidad de estructuras de proteínas que vemos hoy”.

En el modelo de destrucción creativa de Schumpter, desarrollar “productos secundarios” implica la destrucción de productos ancestrales. “Los productos secundarios pueden heredar características de los antepasados, pero en esencia pueden ser diferentes de ellos”, escriben en el documento. En el ejemplo de los teléfonos inteligentes, los teléfonos ancestrales con cable, las computadoras, las cámaras, el posicionamiento global y otras tecnologías se fusionan para crear una hija, es decir, el teléfono inteligente.

La hija hereda muchas características de los antepasados. Estas características, que interactúan de manera específica en la hija, crean nuevos nichos funcionales que no eran accesibles, ni siquiera posibles, en los ancestros.

“Entonces, la destrucción creativa de los pliegues de proteínas podría explicar gran parte de la diversidad que vemos”, dijo Williams.

fusiones moleculares

Desde que los pliegues de proteínas más simples y antiguos surgieron en la Tierra hace miles de millones de años, la cantidad de pliegues se ha expandido para formar el universo de funciones de proteínas que vemos en la biología moderna.

Pero los orígenes de los pliegues de proteínas y los mecanismos evolutivos en juego plantean preguntas centrales en biología que Williams y su equipo consideraron. Por ejemplo, ¿cómo surgieron los pliegues de proteínas y qué condujo al conjunto diverso de pliegues de proteínas en los sistemas biológicos contemporáneos, y por qué casi cuatro mil millones de años de evolución de pliegues produjeron menos de 2000 pliegues distintos?

Los investigadores creen que la destrucción creativa se puede generalizar para explicar mucho de esto.

En la destrucción creativa, explican, un marco de lectura abierto, el tramo de la secuencia de ADN que codifica una proteína, se fusiona con otro para producir un polipéptido fusionado. La fusión fuerza a estos dos ancestros a una nueva estructura. El polipéptido resultante puede alcanzar una forma que era inaccesible para cualquiera de los ancestros independientes antes de la fusión. Pero estos nuevos pliegues no son totalmente independientes de los antiguos. Es decir, un rebaño hijo hereda algunas cosas del rebaño ancestral.

Esto, en términos generales, es lo que observaron Williams y su equipo, y creen que su modelo de destrucción creativa tiene alguna aplicación en el estudio de enfermedades: las proteínas que se pliegan incorrectamente pueden afectar la salud de las células y del ser humano compuesto por esas células.

“Por ejemplo, creemos que este proceso es importante en la biología del cáncer: hay muchas, muchas proteínas que se fusionaron y creemos que se replegaron en los cánceres”, dijo Williams. “Y está el mundo de las enfermedades de agregación de proteínas, como el Parkinson o el Alzheimer, y las proteínas que no se han plegado correctamente o se han replegado”.

Pero en este momento, Williams y su equipo están más interesados ​​en cómo su modelo de destrucción creativa los ayuda a comprender algunas de las preguntas más profundas de nuestra evolución.

“Como, de dónde venimos”, dijo Williams. “La destrucción creativa podría ayudarnos a comprender de dónde provienen las proteínas de nuestro cuerpo y cómo llegamos a ser lo que somos”.