Las estructuras de proteínas criogénicas (congeladas) son fundamentales para comprender la función y desarrollar fármacos. Los científicos del St. Jude Children's Research Hospital han creado un algoritmo para revelar cuándo congelar las proteínas puede crear "artefactos", errores que provocan resultados engañosos. La investigación apareció recientemente en Angewandte Chemie International Edition y destacó la importancia de las redes de agua en las interacciones proteína-ligando. Los hallazgos desafían la visión común de asumir que las posiciones de agua criogénica bien resueltas son precisas y precisas.

Los ligandos son moléculas que se unen a una proteína receptora. Cuando un ligando se une a una proteína, la conformación (forma) puede cambiar, iniciando diferentes tipos de actividad en la célula. La unión proteína-ligando y los cambios de forma resultantes son elementos cruciales a considerar durante los esfuerzos de desarrollo de fármacos.

"Si solo observa los datos criogénicos, la información que se usa para el descubrimiento de fármacos tiene artefactos incorporados que no sabría que estaban allí", dijo el autor correspondiente Marcus Fischer, Ph.D., Departamentos de Biología Química y St. Jude. Terapéutica y Biología Estructural. "Hemos desarrollado una forma de desentrañar esos artefactos. Usando comparaciones pareadas entre la temperatura criogénica y la temperatura ambiente, puede identificar partes de la proteína que se ven afectadas por la temperatura".

Los investigadores a menudo usan las estructuras de proteínas disponibles extrayendo la información de una base de datos llamada Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank. Alrededor del 95% de esas estructuras se capturan criogénicamente y luego se modelan dentro de la base de datos para facilitar su uso. Los descubridores de drogas rara vez miran de cerca los datos experimentales sin procesar, que tienen la forma de un mapa de densidad de electrones. Interrogar mapas en lugar de modelos estructurales proporciona un enfoque imparcial para revelar características dinámicas y artefactos criogénicos.

Algoritmo Flipper destaca cambios importantes

Fischer y su equipo desarrollaron un algoritmo, llamado Flipper, que analiza los datos experimentales sin procesar en mapas de densidad de electrones. Flipper identifica los picos del mapa (señales) que de otro modo serían invisibles. Estos picos se corresponden con las partes de proteínas de residuos específicos que tienen conformaciones sensibles a la temperatura. Estos residuos pueden cambiar la preferencia relativa de un estado sobre otro, o "voltear" en su densidad, moviéndose entre conformaciones, que es de donde el algoritmo obtuvo su nombre.

Los investigadores utilizaron este enfoque para identificar los residuos que responden a los cambios de temperatura y rastrear los residuos en un sistema similar a un código de barras en toda la proteína. Esto permitió a los científicos ver cómo los residuos dentro y fuera del sitio de unión del ligando responden a las temperaturas de congelación o calentamiento.

"Con Flipper podemos detectar cambios pequeños pero importantes en las estructuras de proteínas debido a la temperatura u otros factores", dijo el primer autor Timothy Stachowski, Ph.D., St. Jude Chemical Biology and Therapeutics. "Es importante obtener estos detalles correctos desde el principio en el proceso de descubrimiento de fármacos; de lo contrario, los esfuerzos de investigación podrían desviarse".

Debido a que los efectos de la temperatura y la red de agua influyen en una gran cantidad de estructuras, los hallazgos pueden tener un impacto generalizado en el desarrollo de fármacos.

Una nueva apreciación de las redes de agua

Armados con su nuevo enfoque, los investigadores realizaron un análisis sistemático que muestra la importancia de las redes de agua. El agua, una de las moléculas más cruciales y abundantes en la Tierra, juega un papel activo en el proceso de congelación de las conformaciones. Esto es particularmente cierto en los sitios de unión proteína-ligando.

"Esta es la primera vez que demostramos sistemáticamente la importancia de la temperatura en las redes de agua para modular la interfaz de unión de ligandos, que es donde ocurre la biología", dijo Fischer. "El agua a menudo se ignora en el proceso de descubrimiento de fármacos, pero hemos demostrado que además de tener un efecto profundo en la unión de ligandos, el agua también influye en los residuos del sitio de unión, capturándolos en posiciones que difieren según la temperatura".

Flipper y el sistema de código de barras conformacional que facilita las comparaciones de diferentes ligandos a diferentes temperaturas están disponibles gratuitamente para permitir que otros investigadores identifiquen tales patrones en sus propios conjuntos de datos. + Explora más

La comparación de estructuras criogénicas con muestras a temperatura ambiente puede ayudar a identificar errores en los modelos computacionales