Destino: motores moleculares

2010/03/01 Lakar Iraizoz, Oihane - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Nanoteknologia
• Biokimika
• Mikrobiologia

A cápsida do bacteriófago phi-29 foi reconstruída con imaxes obtidas por criomicroscopio electrónico. No centro, en laranxa, aparece o motor molecular do virus mentres o ADN entra na capsa. Imaxe: Capside das imaxes obtidas por Sander Tans e Doug Smith, Marc Morais e Michael Rossmann; ADN de Paul Thiessen.

O ADN do virus empeza a dar ordes cando entra nunha célula hostal e pon á súa disposición a maquinaria da célula. Por tanto, os virus só necesitan ADN paira avanzar. Tira, ADN e una tapa ou capside paira protexela.

As células hostaleiras, por unha banda, realizan varias copias deste ADN do virus e, por outro, da cápsida. O ADN entra no interior da cápsida nun seguinte paso, e é entón cando os novos virus están dispostos a saír desta célula e atacar a outros. "En media hora dun virus prodúcense oitenta virus", explica Carlos Bustamante, biofísico da Universidade de California.

En concreto, Bustamante fala do virus phi-29, que desde hai dez anos están a investigar no seu laboratorio. O pasado outono, Atom by Atom visitou San Sebastián, onde expuxo as súas investigacións sobre este virus.

O virus Phi-29 é un virus que ataca ás bacterias, pero o seu comportamento parécese moito a outros virus que nos afectan aos seres humanos como a poliomelitis, o herpes ou a varicela. Por tanto, os mecanismos que observan nun e as estratexias de prevención da enfermidade poden servir, probablemente, paira outros.

O motor como destino

Neste caso, os investigadores centráronse no mecanismo que ensamblan o virus, é dicir, o mecanismo que introduce o ADN dentro da cápsida, no que interveñen uns pequenos motores moleculares, unhas pequenas máquinas a escala nano, que dan ese paso imprescindible paira a formación do virus.

"Se conseguimos eliminar estes motores, evitariamos que se formasen virus", explica Bustamante. Desta maneira poderíanse combater de forma radical as infeccións dos virus. Pero paira chegar a este obxectivo é conveniente coñecer ao máximo o motor.

O biofísico Carlos Bustamante é profesor na Universidade de California, investigador no Instituto de Medicamento Howard Hughes e director do Departamento de Microscopía Avanzada do Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Segundo explica Bustamante, paira meter o ADN do virus na cápsida, "o motor ten que facer un gran traballo". De feito, o ADN debe compactar seis mil veces o seu volume en liberdade. "Demasiados espaguetis paira una cabeza tan pequena", afirma.

O motor ten forma anular para que desde o oco central váiase introducindo o ADN na capsa. Trátase dun motor formado por varios grupos de proteínas e encimas, entre os que se atopa o núcleo de todo este traballo ou, como dixo Bustamante, "os verdadeiros pistones deste motor". Trátase dun conxunto de cinco ATPasas. As ATPasas son capaces de romper un determinado enlace das moléculas de ATP; ao rompelas, libérase enerxía e con esta enerxía, as ATPas modifican a conformación. É dicir, os ATPs converten a enerxía química en enerxía mecánica, do mesmo xeito que os pistones dos motores convencionais.

Neste cambio de conformado, as ATPasas contráense cara ao interior da cápsida e con este movemento o motor introdúceo na capsa ADN.

Goliat fronte a fronte

Ao coñecer o seu funcionamento, Bustamante e os seus compañeiros quixeron ir máis aló e coñecer os seus "especificaciones técnicas". É dicir, querían saber que forza ten, a que velocidade mete o ADN dentro da cápsida, etc. Paira iso actuaron dalgunha maneira na "sokatira" co virus, é dicir, colleron a cápsida e o ADN polos dous extremos e mediron as forzas.

Como media observouse que o virus introduce 100 pares de bases por segundo na cápsida. Con todo, a velocidade diminúe a medida que o ADN se acumula na cápsida, debido á crecente presión interna da mesma.

Ao ir diminuíndo a velocidade, viron que a forza necesaria paira realizar este traballo é cada vez maior. Como describiu Bustamante, "este motor é equivalente ao Goliat entre os motores moleculares, o motor máis potente xamais medido". De feito, cando ten a maior parte do ADN no seu interior, é dicir, cando ten que facer a maior forza, o motor pode chegar a facer una forza do piconewton 57-60. "É una forza enorme", afirma Bustamante, e comparouna coa capacidade doutros motores moleculares. "Por exemplo, a miosina que permite a contracción dos nosos músculos tamén ten ATPasas, pero cada una delas só pode exercer una forza de cinco piconewtons".

Na contorna intercelular non hai enerxía, é cando os virus aproveitan o empaquetamiento do ADN a alta presión. Imaxe: © iStockphoto.com/Biogeek.

Con tanta forza o ADN acumúlase na cápsida a 60 atmosferas. Por exemplo, a champaña atópase a 5-6 atmosferas de presión nas botellas.

Por suposto, paira facer todas estas forzas, os virus deben dilapidar unha chea de enerxía; "se a cápsida tivese un dobre tamaño, por exemplo, aforrarían moita enerxía", explica Bustamante. Pero "o obxectivo do virus non é aforrar enerxía", di. En definitiva, esta enerxía que utiliza o motor non debe ser xerada polo virus, é propiedade da célula hóspede, polo que "non lle importa malgastar enerxía".

E ademais, todo isto é útil paira o virus. Os novos virus, ao saír da célula hóspede, pasan a un medio sen ATP: o intercelular. Alí non teñen acceso á enerxía, e é entón cando aproveitan toda a enerxía disipada na célula hóspede: cando chegan a outra célula hostaleira inxéctanlle o ADN que teñen almacenado a unha presión de 60 atmosferas. "Esta enerxía potencial transfórmase en enerxía cinética e introduce baixo presión o ADN na nova célula hostaleira", explica Bustamante. Na súa opinión, "é una estratexia moi elegante".

Contra os virus e máis

Coñecidos todos estes detalles do motor molecular, é evidente que una estratexia anti-virus moi eficaz podería conseguirse ao chegar a eliminar os motores moleculares.

"Pero paira iso non basta con estudar a mecánica dos motores moleculares", explica Itziar Alkorta, profesora do Departamento de Bioquímica e Bioloxía Molecular da UPV. "Sen dúbida é importante a investigación que realizaron, pero si quérese deseñar un medicamento paira eliminar este grupo de proteínas, é necesario realizar tamén estudos bioquímicos paira coñecer as características das proteínas e poder así elixir compostos que poidan combatelas", engadiu Alkorta.

Precisamente, Alkorta realiza estudos bioquímicos con outro motor molecular. Este motor non está asociado a virus senón a bacterias. "Estamos a investigar un motor molecular que participa na conxugación de bacterias". O obxectivo final deste grupo de investigadores é chegar a eliminar a conxugación, entre outras cousas porque a resistencia aos antibióticos propágase a través da conxugación. A conxugación é o intercambio de ADN observado nas bacterias, a través do cal as bacterias comparten moita información.

Os ATPass representáronse aquí cuns manecitos que impulsan o ADN cara a dentro. A cápsida do virus aparece aberta, de forma que se pode ver que aperte o ADN no seu interior. Imaxe: Revista Cell, 26-12-2008. Steve N McQuinn e Venigalla Rao.

Una vez que dispoñan de toda a información necesaria e coñezan en detalle todos os aspectos que deben coñecerse sobre os motores moleculares, será máis fácil desenvolver medicamentos contra os motores. "O máis difícil é coñecer a maquinaria dun sistema concreto, é dicir, como funciona a nivel molecular", explica César Martín, outro membro do mesmo departamento da UPV. Despois, con esta información, é "fácil" buscar vías paira eliminar o sistema. Alkorta comparte esta opinión: "Non é algo que se consegue dun día paira outro, pero non é una tarefa difícil".

Pero aínda que non é difícil, é algo que hai que controlar con moito coidado. De feito, "o intento de frear o motor do virus tamén podería correr o risco de deter os motores das células sas", destacou Alexander Bittner, xefe do grupo de autoensamblajes de CIC nanoGUNE.

Ademais de actuar contra eles, o coñecemento exhaustivo dos mecanismos dos motores moleculares pode permitir idear ferramentas biotecnológicas a escala nano por imitación. En definitiva, en todos os procesos celulares relacionados co movemento, como o movemento dos flagelos, a duplicación celular e a contracción muscular, está involucrado algún motor molecular. Por tanto, poderemos imitar calquera sistema deste tipo cando aprendamos a imitar ou manipular motores, e seremos capaces de prover de motores que fagan móbiles a células inmóbiles ou máquinas de escala nano.

Por exemplo, poderanse utilizar paira terapias génicas. "As terapias génicas consisten basicamente en introducir un anaco de ADN en determinadas células paira evitar un proceso que se está producindo na célula grazas a este ADN ou, pola contra, paira impulsar algo que non está a ocorrer". En moitas ocasións utilízanse virus modificados como vectores paira introducir o ADN dentro das células. Pero sería moito máis eficaz que só puidésemos utilizar motores moleculares, xa que seriamos capaces de bombear o ADN directamente ao interior das células.

Con todo, estes obxectivos ou aplicacións aínda están demasiado lonxe. "Eu gústame ter os pés no chan, e iso está no futuro; hoxe non se conseguiu facer iso, que eu saiba", di Alkorta. No entanto, destaca que non é pouco: "Antes ou despois, conseguiremos traballar con este tipo de sistemas. Imos no camiño".

Sokatira con motor

Paira o estudo dos motores moleculares dos virus, o biofísico Carlos Bustamante e os investigadores do seu equipo tiveron como ferramenta fundamental a nanotecnoloxía. Traballaron cun único virus e una soa molécula de ADN.

Paira facilitar o manexo do virus e o ADN utilizáronse unhas bolitas especiais moi utilizadas nestes casos. Na superficie dunha bolita colocáronse anticorpos específicos que coñecen o virus phi-29 para que o anticorpo atrapase ao virus.

Despois, coa molécula de ADN e o ATP ao redor do virus, o virus comezou a introducirse no interior da cápsida de ADN, proceso que foi interrompido inmediatamente, obtendo un virus coa maior parte do ADN colgado. O outro extremo do ADN, que quedou fóra, foi amarrado con outra bolita, colocando na superficie da mesma unhas moléculas concretas que coñecían ese extremo do ADN.

(Foto: Oihane Lakar, adaptada á imaxe publicada na revista Nature (Smith et ao., 2001. Nature 413: 748-752).)

Desta maneira, xogando con estas dúas bolitas, puideron realizar diferentes experimentos e medicións. Paira xogar colocouse un ATP na contorna para que o virus fósese introducindo na capsa de ADN.

A bolita asociada á capsa do virus foi controlada mediante micropipeta e a outra, asociada ao extremo do ADN, mediante unhas pinzas ópticas especiais. As pinzas ópticas son en baséea raios láser capaces de atrapar determinados obxectos e permiten mover os obxectos --neste caso a bolita - movendo os raios. Ademais, son capaces de medir a forza que se opón a esta materia dominada. Por tanto, utilizárona paira xerar forza ou paira medir a forza que está a soportar.

Uno dos experimentos consistiu en medir a velocidade á que o motor introduce o ADN no interior da cápsida, mantendo fixa a bolita afectada pola pinza óptica e deixando que esta se mova.

Nun seguinte experimento participaron nunha auténtica sokatira. Colocando as dúas bolitas inmóbiles, lanzouse o ATP e fóronse medindo co láser a tensión que se producía na molécula de ADN, ou o que é o mesmo, a forza que exercía o motor no seu intento de introducirse dentro do ADN.