Cada una de nuestras células está rodeada por una membrana compleja que funciona como un borde biológico, dejando que los iones y nutrientes como la sal, potasio y azúcar dentro y fuera. Los protectores son proteínas de membrana, que hacen el arduo trabajo de permitir o bloquear el tráfico de estas moléculas.

Hilos de moléculas de agua unidas, llamados cables de agua, desempeñan un papel importante en este proceso que se pensó que era bien entendido. Ahora, un equipo del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (MagLab), con sede en la Universidad Estatal de Florida, está cambiando las suposiciones de décadas sobre cómo interactúan realmente con las proteínas.

Su artículo fue publicado hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Si bien los científicos sabían que los cables de agua desempeñaban un papel en la conducción de nutrientes a través de la membrana celular, subestimaron enormemente sus interacciones con el canal de membrana. Este hallazgo tiene ramificaciones generalizadas, los investigadores dijeron, cuestionando los modelos existentes de cómo se comporta el agua dentro de otras proteínas.

"Ahí es donde esto se vuelve realmente interesante desde una perspectiva biológica, "dijo el autor correspondiente Tim Cross, director de la instalación de resonancia magnética nuclear (RMN) con sede en Tallahassee en el National MagLab y el profesor de química Robert O. Lawton. "Ahora entendemos que esas interacciones entre el agua y los átomos de oxígeno de la proteína que recubren el poro serán mucho más fuertes de lo que nadie había anticipado. Y eso influirá en el funcionamiento de estas proteínas".

El trabajo también es importante, Cross agregó, porque muestra cómo un imán de récord mundial, conocido como el híbrido conectado en serie (SCH), está dando a los científicos acceso a nuevos detalles sobre proteínas y otros sistemas biológicos.

Su estudio se centró en la gramicidina A, un péptido antibiótico (o proteína pequeña) que tiene forma de hélice. Dos de estas moléculas apiladas una encima de la otra crean un canal estrecho en algunas membranas celulares a través del cual los iones pueden entrar y salir. Un cable de agua de ocho moléculas de largo que se extiende a lo largo del canal actúa como una especie de lubricante en este proceso. Los hidrógenos en esas moléculas de agua se unen con algunos de los átomos de oxígeno en la gramicidina que los rodea. Se pensaba que las orientaciones de las moléculas del cable de agua cambiaban extremadamente rápido, unión y desvinculación con átomos de oxígeno en la gramicidina A muchas veces un nanosegundo.

Sin embargo, cuando el equipo de MagLab echó un vistazo más de cerca a este sistema, descubrieron algo que puso en tela de juicio ese punto de vista predominante. Su primera pista llegó hace unos dos años, cuando Joana Paulino, luego investigador postdoctoral en el MagLab trabajando con Cross, puso un poco de gramicidina A especialmente tratada en el SCH y ejecutó algunos experimentos de RMN.

Los científicos utilizan máquinas de RMN para comprender mejor la estructura y función de moléculas complejas como proteínas y virus. Pueden sintonizar la máquina para identificar, por ejemplo, todos los átomos de sodio en una muestra y sus orientaciones con respecto a otros átomos. Cada átomo envía una señal reveladora a la máquina.

Pero algunos átomos son más fáciles de detectar por RMN que otros. Oxígeno, por ejemplo, es bastante difícil de ver. Entonces, hasta hace poco, uno de los átomos biológicamente más activos del cuerpo era prácticamente invisible para la RMN. Debido en parte a un poderoso imán que genera un campo de 36 teslas (una unidad de intensidad de campo magnético), el SCH puede "ver" oxígeno.

Las muestras específicas de gramicidina que Paulino estaba viendo ya se habían estudiado en profundidad años antes en otro poderoso imán de RMN en el MagLab. Cross estableció su carrera con su trabajo sobre gramicidina, conocido por ser una estructura perfectamente simétrica:lo último que esperaba era una sorpresa.

La muestra de gramicidina estaba formada por dos apilado moléculas helicoidales. Paulino examinó exactamente el mismo átomo de oxígeno en ambos, esperando que el SCH más sensible detecte una señal más clara de esos dos átomos de lo que se había observado anteriormente.

Pero no vio solo una señal de oxígeno:vio dos.

Al primer rubor, los resultados parecían sugerir que algo andaba mal con el modelo de una gramicidina A perfectamente simétrica, el modelo que le había valido a Cross su puesto. Su reacción inmediata a las medidas de Paulino fue, "Bien, eso debe estar mal ".

Su siguiente pensamiento:"O, esto podría ser algo muy interesante ".

Experimentos repetidos demostraron que el primer resultado de Paulino era correcto, pero no porque las moléculas fueran asimétricas. Bastante, el SCH era tan sensible que detectó una señal de un oxígeno de gramicidina que estaba unido al cable de agua, y una señal separada de un oxígeno de gramicidina que no estaba unido al cable.

El equipo pasó años realizando más experimentos para asegurarse de que entendían lo que estaban viendo.

"Cada vez que analizamos una muestra de gramicidina etiquetada en un sitio de oxígeno diferente y veíamos dos picos, bailamos un poco "dijo Paulino, autor principal del artículo y ahora becario postdoctoral en bioquímica y biofísica en la Universidad de California en San Francisco.

El hecho de que el SCH pudo detectar la señal del oxígeno ligado, los investigadores determinaron, significaba que las interacciones entre el cable de agua y la pared de los poros de la gramacidina A eran mucho más fuertes y duraderas, más de un millón de veces más, De hecho, de lo que los científicos habían creído.

"Las energías asociadas con el proceso son claramente diferentes de lo que se imaginaba, Cross dijo. tenemos que volver ahora y echar un vistazo a la energía y cómo funcionan realmente estos cables de agua ".

Los hallazgos son relevantes para muchos otros tipos de proteínas que cuentan con cables de agua en sus membranas celulares.

"La emoción ahora es realmente comenzar a pensar en todos estos otros cables de agua en las proteínas que conducen iones que son esenciales para la vida, "Cross dijo, "y comprender cómo esto va a influir en esas interacciones y tasas de conductancia".

Es probable que los hallazgos alteren algunas plumas científicas porque contradicen los modelos computacionales de la dinámica molecular de los cables de agua que han sido aceptados durante décadas. Dijo Cross.

"Los científicos tienen un conocimiento bastante bueno de muchas cosas, "Cross explicó." Pero de vez en cuando, algo surge de la nada y nos obliga a repensar las cosas. No hay nada por ahí que sugiera en absoluto que hubo un problema con esos estudios computacionales, hasta esto ".