Su informe, publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, ofrece una visión sin precedentes de la secuencia de eventos de enlaces de hidrógeno que ocurren cuando una proteína se transforma de un estado desplegado a uno plegado.

"Una proteína debe plegarse adecuadamente para convertirse en una enzima o molécula de señalización o cualquiera que sea su función, todas las muchas cosas que hacen las proteínas en nuestros cuerpos", dijo Martin Gruebele, profesor de química de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien dirigió la nueva investigación con La compositora y desarrolladora de software Carla Scaletti.

Las proteínas mal plegadas contribuyen a la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, la fibrosis quística y otros trastornos. Para comprender mejor cómo sale mal este proceso, los científicos deben primero determinar cómo una cadena de aminoácidos cambia de forma a su forma final en el ambiente acuoso de la célula. Las transformaciones reales ocurren muy rápido, "entre 70 nanosegundos y dos microsegundos", dijo Gruebele.

Los enlaces de hidrógeno son atracciones relativamente débiles que alinean átomos ubicados en diferentes aminoácidos de la proteína. Una proteína plegable formará una serie de enlaces de hidrógeno internamente y con las moléculas de agua que la rodean. En el proceso, la proteína se mueve hacia innumerables conformaciones intermedias potenciales, llegando a veces a un callejón sin salida y retrocediendo hasta encontrar un camino diferente.

Sonificación de proteínas:horquilla en una trampa

Los investigadores querían mapear la secuencia temporal de los enlaces de hidrógeno que se producen cuando se pliega la proteína. Pero sus visualizaciones no pudieron capturar estos complejos eventos.

"Hay literalmente decenas de miles de estas interacciones con las moléculas de agua durante el corto paso entre el estado desplegado y plegado", dijo Gruebele.

Entonces, los investigadores recurrieron a la sonificación de datos, un método para convertir sus datos moleculares en sonidos para poder "escuchar" la formación de enlaces de hidrógeno. Para lograr esto, Scaletti escribió un programa de software que asignaba a cada enlace de hidrógeno un tono único. Las simulaciones moleculares generaron los datos esenciales, mostrando dónde y cuándo dos átomos estaban en la posición correcta en el espacio (y lo suficientemente cerca uno del otro) para formar un enlace de hidrógeno.

Si se daban las condiciones correctas para la vinculación, el programa de software reproducía un tono correspondiente a esa vinculación. En total, el programa rastreó en secuencia cientos de miles de eventos individuales de enlaces de hidrógeno.

Usando el sonido para explorar la dinámica de los enlaces de hidrógeno durante el plegamiento de proteínas

Numerosos estudios sugieren que el audio se procesa aproximadamente dos veces más rápido que los datos visuales en el cerebro humano, y los humanos son más capaces de detectar y recordar diferencias sutiles en una secuencia de sonidos que si la misma secuencia se representa visualmente, afirmó Scaletti.

"En nuestro sistema auditivo, estamos muy en sintonía con las pequeñas diferencias de frecuencia", dijo. "Usamos frecuencias y combinaciones de frecuencias para comprender el habla, por ejemplo."

Una proteína pasa la mayor parte de su tiempo en estado plegada, por lo que los investigadores también idearon una función de "rareza" para identificar cuándo tuvieron lugar los raros y fugaces momentos de plegado o despliegue.

Los sonidos resultantes les dieron una idea del proceso, revelando cómo algunos enlaces de hidrógeno parecen acelerar el plegamiento mientras que otros parecen ralentizarlo. Caracterizaron estas transiciones, llamando "autopista" a la más rápida, "meandro" a la más lenta y "ambiguas" a las intermedias.

Incluir las moléculas de agua en las simulaciones y el análisis de los enlaces de hidrógeno fue esencial para comprender el proceso, dijo Gruebele.

"La mitad de la energía de una reacción de plegamiento de proteínas proviene del agua y no de la proteína", dijo. "Realmente aprendimos mediante la sonificación cómo las moléculas de agua se asientan en el lugar correcto de la proteína y cómo ayudan a que la conformación de la proteína cambie para que finalmente se pliegue".

Si bien los enlaces de hidrógeno no son el único factor que contribuye al plegamiento de las proteínas, estos enlaces a menudo estabilizan la transición de un estado plegado a otro, dijo Gruebele. Otros enlaces de hidrógeno pueden impedir temporalmente el plegamiento adecuado. Por ejemplo, una proteína puede quedar atrapada en un bucle repetitivo que involucra la formación, ruptura y formación de uno o más enlaces de hidrógeno, hasta que la proteína finalmente escapa de este callejón sin salida para continuar su viaje hasta su estado plegado más estable. P>

"A diferencia de la visualización, que parece un desastre total y aleatorio, en realidad escuchas patrones cuando escuchas esto", dijo Gruebele. "Estas son las cosas que eran imposibles de visualizar pero que son fáciles de escuchar".