Ciencia

La felicidad en forma de cristales: ¿qué es y para qué sirve la cristalografía de proteínas?

Sergio no estaba muerto, tampoco andaba de parranda (o sí, pero no le digan a su jefe). La ausencia de Sergio en este espacio por 2 semanas tiene causas completamente justificadas: chorizo argentino (de nuevo, amigos, no empiecen, esto es serio), vino tinto, alfajores y, lo más importante, cristalografía de proteínas. ¿Cristalografía de proteínas? No, Sergio no está ebrio e inventando palabras; la cristalografía de proteínas es la técnica responsable de que Sergio asistiera a un curso por dos semanotas en la bella ciudad de Buenos Aires y es igualmente responsable del tema que llenará estas líneas. Sergio podría contar las cosas rifadas que visitó, las palabras extrañas que escuchó (gauchito, por ejemplo), las fiestas y noches de farra, o sobre la gente maravillosa que conoció, pero como el espacio es para otros fines, Sergio tratará de explicar el porqué la cristalografía de proteínas es una de las técnicas más chidas de este mundo.

Empecemos de pragmáticos. La cristalografía de proteínas nos ha dejado hasta el momento 29 premios Nobel de 3 áreas distintas: Física, Química y Medicina. Nada mal para empezar a suponer su importancia, ¿no? Pues bien, esta técnica básicamente sirve para hacer una única cosa: determinar la estructura de ciertas moléculas como proteínas, ADN, lípidos y carbohidratos (otra de las dos técnicas que hacen esto es la Resonancia Magnética Nuclear y la Crio-microscopía Electrónica, de las cuales hablaremos en otra ocasión). Digamos que la cristalografía de proteínas lo que hace es saber cómo están constituidas las macromoléculas que conforman a los seres vivos (incluso, de cosas no encontradas en la naturaleza, cosas diseñadas de novo). Pensemos a las moléculas en un contexto más cercano. Imaginemos que estamos parados sobre avenida Reforma (o alguna otra avenida importante, de acuerdo en donde vivan ustedes); ahora, si voltearan a su alrededor, verían edificios de muchos tamaños, estilos y colores, y si se preguntaran cómo es su estructura interna, podrían saberlo haciendo varias cosas: entrando al edificio, caminando dentro de él, viendo los planos del mismo, sintiendo sus paredes, midiendo sus escaleras, y un largo etcétera. De esta forma sabrían cómo está estructurado cada edificio. De la misma manera, la cristalografía de proteínas tiene un objetivo equivalente al de ustedes recorriendo el edificio: pretende saber cómo están estructuradas las macromoléculas de la vida.

Justo aquí el molesto exprofesor de Física de Sergio lo interrumpiría y le preguntaría: Sergio, ¿y eso para qué me sirve? Y Sergio, gustosamente, le contestaría (viéndolo seriamente a los ojos): para todo, profesor, PARA TODOOOOO. Resulta que saber la estructura de las moléculas biológicas sirve para conocer la función de las mismas, ya que de la estructura dependen qué pueden o no hacer las macromoléculas. Por ejemplo, la estructura de un tostador le permite tostar el pan, pero no le permite lavar los dientes; la composición de un ojo le permite ver y llorar la muerte de Hodor de Game of Thrones (¡¿por qué te nos fuiste, Hodoooor?!), pero no sirve para respirar o comer; la forma de una taza sirve para beber café o alguna otra cosa pero no sirve para cargar la batería de un celular (nota mental: idea millonaria). Así, la estructura de las proteínas definen lo que harán o no éstas maravillas de la vida (Sergio tiene un crush con las proteínas, si no se han dado cuenta). Conocer la estructura de las proteínas nos ha permitido entender cómo el cuerpo humano funciona; diseñar fármacos, como los antibióticos, para atacar algún bicho que nos quiera joder; saber cómo la evolución nos permite llegar a lo que somos ahora los seres vivos; prevenir la infección de algunos virus, entre otras muchas cosas.

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Cristales de proteína. Fotos cortesía de los alumnos del curso CELFI 2017.

Ahora que ya sabemos para qué sirve la cristalografía, pasemos a ver cómo logra sus objetivos. El requisito básico de la técnica es que las moléculas estén en una forma específica: cristales; sí, de la misma forma como están los cristales de sal, o de azúcar, o los cristales que están en las minas. Y es importante que sean cristales porque de esta manera las moléculas están ordenadas periódicamente como fila de militares coreanos o chinos y ese orden nos sirve para saber su estructura. Justo en este paso es como puedes pasar años y años intentando que se formen cristales de lo que quieres conocer y se te puede ir la vida tratando de titularte (*Sergio se pone a llorar*). Una vez que tienes el cristal, la técnica hace uso de su amante fiel: los rayos X. ¿Por qué rayos X? Porque para conocer la estructura y orden de las moléculas aquí el tamaño SÍ importa (guiño, guiño). Los rayos X son del mismo tamaño que los enlaces de las moléculas; a simple vista no podemos ver los átomos, así como tampoco podemos ver las estrellas más lejanas, pero los rayos X interactúan con los carbonos, nitrógenos, hidrógenos, azufres, y demás átomos de las moléculas, y es así que podemos tener información de cómo están estructurados; los rayos X son del tamaño ideal para esta tarea.

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Imágenes de difracción de rayos X de varios cristales de proteína. Fuente: datos propios SRR.

Todos tenemos alguna idea de los rayos X, aquellos que utilizamos para sacar las radiografías cuando nos rompemos una mano, los mismos que Superman ocupaba como superpoder, los que ocupaban en Mortal Kombat para un fatality, y así podríamos mencionar más ejemplos de su presencia en la cultura popular. Sucede que cuando a un cristal lo disparamos con rayos X, físicamente se produce un efecto llamado difracción y se generan imágenes como las que se muestran arriba. Con estas imágenes y con una serie de hermosas matemáticas, de las cuales Sergio tomó hábilmente nota (mentira, copió los apuntes de su compañera de a lado), es que podemos reconstruir la estructura de las moléculas. Lo que la técnica nos permite obtener es algo nombrado densidad electrónica, lo que en la imagen de abajito represento como una red azul, a partir de esa es que dibujamos la estructura de la proteína. Esto es un símil a querer saber la forma de una mano contenida en un guante y lo que haría la difracción con rayos X es experimentalmente obtener la forma del guante y, a partir de ésta, sabremos la estructura de la mano al dibujarla dentro del guante.

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Densidad electrónica de una proteína. Se muestra en azul los datos experimentales obtenidos y en amarillo y símbolos rosas, la construcción de la estructura de la proteína y moléculas de agua. Fuente: datos propios SRR.

Imaginen que las imágenes con puntitos que obtenemos son fotografías y que luego el chiste es colectar muuuuchas fotos para reconstruir la estructura completa; para esto, las imágenes se colectan girando al cristal, tal cual se estuviera en una pasarela de modas y nosotros fuéramos los fotógrafos que tomamos fotos por todos los lados (bien acosadores los cristalógrafos, de veras). Hay muchísimos detalles y trucos de la técnica que no tiene caso tocar acá, pero de forma general se puede resumir la historia a tener cristales, bañarlos de rayos X, colectar imágenes, procesarlas y ser feliz con la estructura que se determina (representada como la imagen que se muestra a continuación, la cual es una de las hijas queridas de Sergio).

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Modelo de la estructura de una proteína. Código PDB: 4Y96.

Lo que se hace después con la estructura dependerá de los fines para los cuales se requiera. Bien se podrían ocupar para entender cómo defendernos de alguna infección, o para crear algún medicamento que bloquee o inactive proteínas, o para diseñar cosas que no existen en la naturaleza, o bien ayudar a procesos biotecnológicos como la producción de cerveza, defender las cosechas de maíz, café o frijol del ataque de microorganismos, generar semillas que produzcan algún nutriente que ayude a combatir alguna deficiencia nutrimental y así un largo etcétera. Sergio conoció interesantísimos proyectos y objetivos de sus colegas latinoamericanos que tomaron el curso con él y he aquí lo bello de la técnica: la información es tan diversa y jugosa que los objetivos de investigación científica son harto distintos y seguro el futuro científico nos traerá sorpresas gracias a los descubrimientos obtenidos con esta técnica y su relación con otras áreas de estudio. Sin más, Sergio agradece el patrocinio del viaje, las copas de vino y la inscripción al curso por parte del Centro Latinoamericano de Formación Interdisciplinaria (CELFI) de Argentina (chequen su sitio, hay muchas becas para varias áreas de estudio) y a la vez agradece a los profesores y compañeros “copados” (Sergio ya habla argentino) que hicieron de estas dos semanas una experiencia invaluable, tanto de conocimiento adquirido como de creación de redes de colaboración e investigación entre los países latinoamericanos que nos dedicamos al área de la biología estructural y bioquímica. A quien guste, debe saber que Sergio tiene harto Fernet y vino argentino listo para ser servido en su casa; están invitados, ¡salud!

¿Quieres saber más sobre los programas que ofrece CELFI? Visita su página: http://www.celfi.gob.ar/programas/sobre-los-programas

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Profesores y alumnos participantes del curso “Cristalografía en Biología Estructural”. CELFI 2017, Buenos Aires, Argentina.

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