Entre el zoológico de biomoléculas esenciales para la vida, las proteínas son las más sorprendentemente variadas y versátiles.

Estas estructuras complejas, generado a partir del código del ADN y construido a partir de unos 20 aminoácidos juega un papel central en innumerables procesos de la vida. En forma de anticuerpos, las proteínas defienden a los organismos de agentes infecciosos como bacterias y virus. Como enzimas, Las moléculas de proteína aceleran las reacciones químicas necesarias para mantener la vida. Las proteínas también actúan como mensajeros que coordinan distintas actividades de comunicación entre las células.

Aunque las proteínas han sido objeto de intensos estudios, los investigadores todavía tienen mucho que aprender sobre estas enigmáticas moléculas que se autoensamblan en elaboradas formas tridimensionales; particularmente sus papeles sutiles en la salud y la enfermedad.

En un nuevo estudio, Stuart Lindsay y sus colegas de la Universidad Estatal de Arizona exploran una propiedad sorprendente de las proteínas, una que solo recientemente ha salido a la luz. En investigaciones que aparecen en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) , el grupo demuestra conductancia eléctrica a través de proteínas colocadas entre un par de electrodos.

Además, muestran que dicha conductancia solo se produce en condiciones muy específicas, cuando los contactos que conectan las moléculas de proteína a sus electrodos están compuestos exactamente por la molécula que la proteína ha evolucionado para unirse. Esto proporciona una receta para conectar proteínas a circuitos eléctricos.

"Si me hubieras dicho que las proteínas serían buenos elementos de circuito hace 5 años, Me hubiera reído de ti, eso es ridículo, "Dice Lindsay. Sin embargo, su escepticismo, pronto dio paso a la sorpresa:"Descubrimos hace unos años que una proteína involucrada en unir células, sin función eléctrica conocida, conducido como un hermoso cable si se conecta a los electrodos por el pequeño trozo de proteína que había evolucionado para reconocer. Este fue un gran misterio para nosotros y el presente estudio fue diseñado para ver si esta era una propiedad general de alguna proteína seleccionada al azar. Resulta ser cierto:todas las proteínas que hemos probado, conectado a los electrodos por medio de las moléculas específicas que reconocen, hacer alambres moleculares casi perfectos, aunque estamos lejos de entender por qué es así ".

Yo canto el cuerpo electrico

El flujo de electrones a través de sistemas biológicos constituye algunas de las reacciones más importantes de la naturaleza. esencial para los procesos de conversión de energía que van desde la respiración y el metabolismo hasta la fotosíntesis. Si bien se entienden los conceptos básicos, Se requieren métodos sofisticados para desentrañar los pequeños detalles y quedan muchos acertijos.

En el nuevo estudio, los investigadores realizaron mediciones electrónicas directas de moléculas de proteína individuales, que tradicionalmente se han considerado como aislantes eléctricos. Las mediciones se realizaron utilizando un microscopio de efecto túnel, un instrumento con una sonda muy fina capaz de tocar una sola molécula.

La molécula inicial de elección se conoce como integrina, una proteína ubicua que utilizan las células para unir su citoesqueleto a la matriz extracelular. Una integrina evolucionó para reconocer un péptido pequeño en particular (una pequeña porción de proteína) que actuaba como un conductor fuerte, mientras que una integrina variante, no evolucionó para reconocer ese péptido en particular, actuó como un aislante. Habiendo identificado la integrina como un conductor fuerte en las condiciones adecuadas, el grupo inició la búsqueda de otras proteínas capaces de conductancia, mirando particularmente a las proteínas que no tienen un papel conocido en la transferencia de electrones.

En todo, Se seleccionaron seis proteínas para el estudio de conductancia. Ninguno fue capaz de generar corriente electroquímica, dejando la conducción electrónica como único medio de conducción eléctrica. Cuando las moléculas estaban atadas a una superficie en su forma nativa, ambiente acuoso, y mediante moléculas las proteínas reconocidas específicamente, Se observó conductividad eléctrica.

Esta conductividad fue más alta cuando se hicieron dos contactos específicos, por ejemplo, utilizando un anticuerpo que tiene dos sitios para unirse a su proteína diana. Cuando los anticuerpos se cortaron por la mitad, por lo que solo se hizo un contacto específico, la conductividad cayó drásticamente. Algunas de las moléculas de anticuerpos utilizadas en el estudio se desarrollaron y sintetizaron en el laboratorio del coautor Qiang "Shawn" Chen, en el Biodesign Center for Immunotherapy, Vacunas y Viroterapia, utilizando sistemas de expresión vegetal rápidos y flexibles.

La vida secreta de las proteínas

Las implicaciones de estos resultados son significativas porque permiten una gran especificidad en la detección de moléculas individuales, y porque proporcionan una receta para conectar proteínas a un circuito eléctrico donde pueden usarse como sensores químicos sensibles. Usando la técnica, los anticuerpos individuales pueden detectarse eléctricamente cuando se unen a un epítopo peptídico anclado a electrodos. Donde no se produce ninguna vinculación, la señal será cero, sin fugas eléctricas de fondo en el circuito, en contraste con los ensayos de fluorescencia comúnmente utilizados (ELISA) que sufren señales de fondo no deseadas.

Como demuestra el estudio, romper un brazo del epítopo en forma de Y causó un nivel más bajo de conductancia a través de la molécula, produciendo picos de conductancia más bajos. Como explica Lindsay:"Un sitio de unión servirá, pero los mejores circuitos se hacen con dos sitios de unión específicos. Once you're armed with that knowledge it's like being told how to use a piece of electronic design software to make protein circuits." Lindsay's group is currently working on a variety of systems leveraging this approach.

Lindsay, who directs the Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, biología, physics, ciencia de los Materiales, Ingenieria, and other fields. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."