Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Mike Sleutel del Centro VIB-VUB de Biología Estructural en colaboración con científicos del Instituto de Sistemas Moleculares Complejos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, y el CNRS en Grenoble, han descubierto por primera vez los detalles moleculares de la nucleación de cristales de proteínas, un proceso de gran relevancia médica y científica. El equipo también desarrolló una nueva metodología para estudiar una amplia clase de sistemas que se han mantenido difíciles de alcanzar hasta la fecha. Sus resultados se publican en Naturaleza .
Dr. Mike Sleutel (VIB-VUB):"Será emocionante ver que esta nueva técnica se aplica en el futuro para seguir los procesos de autoensamblaje de proteínas que están implicados en una variedad de trastornos patológicos, como la separación de fases líquido-líquido en la formación de cataratas oculares o la formación de fibras amiloides asociadas con una variedad de trastornos neurológicos ".
Los cristales de proteínas tienen una gran relevancia médica y científica. Por décadas, han sido fundamentales para que los biólogos estructurales resuelvan las estructuras tridimensionales de las proteínas, pero los cristales de proteína también se utilizan como agentes de administración biofarmacéuticos. Las suspensiones cristalinas son formulaciones atractivas para almacenar y administrar compuestos farmacéuticos activos debido a su vida útil a largo plazo. baja viscosidad del solvente, y velocidad de disolución lenta. Quizás el ejemplo más conocido sea la insulina:las inyecciones de insulina comprenden la inyección subcutánea de una suspensión de microcristales de insulina que se disuelven lentamente para producir una administración constante y sostenida en el tiempo. A pesar de su tremendo potencial, Hay dos factores que limitan el uso de cristales de proteínas en una amplia gama de aplicaciones.
Desafíos en el desarrollo de cristales de proteínas
Primero, cristales de proteína en crecimiento, como dirán muchos biólogos moleculares, es más un arte que una ciencia. De hecho, para muchas proteínas, la cristalización puede ser terriblemente difícil. Esto se debe en parte al hecho de que los científicos no comprenden las primeras etapas de la formación de cristales de proteínas. Cualquier cristal se origina en un núcleo, una diminuta semilla cristalina, que se forma por la agrupación espontánea de unas pocas moléculas en solución que deben adoptar una organización regular en tres dimensiones. Cómo las moléculas se dan cuenta de esta improbable hazaña ha sido un misterio hasta este momento.
En segundo lugar, una sola proteína puede cristalizar en múltiples formas de cristales diferentes, esto se conoce como polimorfismo. Los diferentes polimorfos de cristal tienen diferentes características, con los más notables el poder de difractar los rayos X (crucial para la determinación de la estructura 3D), y la velocidad a la que se disuelve (crucial para la administración de fármacos). Hasta el momento, es muy difícil orientar el proceso de cristalización al polimorfo de nuestro agrado. Los científicos creen que la selección de polimorfos tiene lugar en la etapa de nucleación, pero nadie sabe exactamente cómo funciona el mecanismo.
Una nueva forma de ver el autoensamblaje de macromoléculas
El grupo de científicos dirigido por el Dr. Mike Sleutel ha utilizado microscopía electrónica de crio-transmisión de última generación (Cryo-TEM) para capturar el nacimiento de un cristal de proteína mediante la visualización del proceso de nucleación en resolución molecular.
El Dr. Heiner Friedrich explica:"Debido a que el proceso ocurre tan rápido, ya una escala de longitud tan pequeña, necesitábamos detener criogénicamente la muestra en varias etapas del proceso. Una vez congelado en el tiempo, utilizamos un microscopio electrónico muy sensible para visualizar las proteínas y cómo se agrupan para formar un núcleo y finalmente el cristal de la proteína ".
Al analizar las imágenes Cryo-TEM tomadas de una serie de muestras a intervalos de tiempo constantes, podrían empezar a descifrar la serie de colisiones moleculares que deben tener lugar para formar un núcleo cristalino. El Dr. Mike Sleutel continúa:"Nos sorprendió la inesperada complejidad del proceso, que resultó ser mucho más complejo que los modelos de trabajo que teníamos nosotros y otros en el campo antes de estas observaciones. Para la proteína que usamos en nuestro estudio, descubrimos un proceso de autoensamblaje jerárquico que involucra tres etapas subsecuentes de autoensamblaje en escalas de longitud cada vez mayores ". Estas observaciones son las primeras de su tipo y brindan una nueva forma de ver el procesos de autoensamblaje de macromoléculas en estructuras más grandes.
Pero el equipo fue incluso un paso más allá, y comparó las vías de nucleación de múltiples polimorfos. Demostraron que la selección de polimorfos está dictada por la arquitectura de los fragmentos más pequeños posibles formados en los primeros momentos. Una vez que se forman tales estructuras, la fe del sistema está establecida. El Dr. Alexander Van Driessche explica:"Al analizar y comprender las diferencias en la estructura de los distintos núcleos, Desarrollamos estrategias para guiar el proceso de selección de polimorfos. Lo logramos ajustando suavemente los diferentes modos de interacción que existen entre las moléculas, dirigir el proceso de nucleación en la dirección que elijamos ”. El equipo cree que los nuevos conocimientos y la metodología avanzarán significativamente en el desarrollo de cristales de proteínas para la determinación de estructuras 3D y aplicaciones médicas.
