En una cálida tarde de principios de junio, Space X lanzó el cohete Falcon 9, que transportó la nave espacial Dragón hacia la Estación Espacial Internacional (ISS). Cuando el Dragón rompió las ataduras de la gravedad de la Tierra, tres pequeños, cajas negras estaban colocadas de forma segura en su bodega de carga. Estas cajas inocuas albergan un experimento que puede ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos antídotos para los agentes nerviosos utilizados en zonas de conflicto.

Cada caja contiene 30 cámaras donde los cristales de la proteína, acetilcolinesterasa (AChE), crecerá. La proteína juega un papel fundamental en la comunicación normal entre las células nerviosas, así como entre las células nerviosas y musculares del cuerpo humano. Cuando AChE no puede funcionar, los resultados son fatales.

La AChE es inhibida por un grupo de sustancias químicas que se encuentran comúnmente en pesticidas y agentes nerviosos. llamados organofosforados. La exposición da como resultado temblores, parálisis respiratoria y, sin antídoto, muerte. En todo el mundo, estos productos químicos son responsables de 200, 000 muertes cada año.

Los antídotos actúan reactivando la proteína AChE y eliminando el exceso de toxina del cuerpo. El antídoto aprobado por la FDA que se usa con más frecuencia, la pralidoxima (2-PAM), libera la molécula de organofosfato de la proteína AChE. que puede volver a las funciones normales. Los pocos antídotos que están disponibles para los humanos son insuficientemente efectivos y lentos.

"Necesitamos desarrollar antídotos que sean efectivos contra múltiples tipos de organofosforados y puedan cruzar la barrera hematoencefálica para reactivar más fácilmente múltiples proteínas AChE, "dijo Don Blumenthal, profesor asociado de farmacología y toxicología en la Universidad de Utah Health. "Esto es particularmente importante para un escenario de víctimas masivas".

Blumenthal fue el catalizador que reunió a un equipo de expertos de todo el país liderado por el investigador principal del proyecto, Zoran Radić, profesor asociado de la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Skaggs de la Universidad de California, San Diego (UCSD), en la búsqueda de antídotos para estas terribles toxinas.

A su llegada a la ISS, El astronauta Jack Fisher recuperó las cajas y, con un giro de algunas palancas, cápsulas expuestas que contienen la solución de proteína a un cóctel de varias sales y tampones en cada cámara. Durante los próximos cuatro meses, el cóctel deshidratará la solución de proteína, permitiendo que la proteína AChE se cristalice y crezca en la microgravedad de la estación espacial.

Navegando por Catalytic Gorge

Los científicos comenzaron a mapear la estructura de la proteína AChE hace varias décadas utilizando cristalografía de rayos X. Blumenthal, que ha pasado su carrera utilizando esta técnica, describe estas estructuras como simples instantáneas de la estructura de la proteína, capturado a una temperatura gélida, 100 Kelvin (-280 ° F). Revelaron una estructura de proteína compleja con un distintivo, abismo profundo, llamado desfiladero catalítico, en su centro.

"El desfiladero catalítico es como un cañón de ranura, ", dijo Blumenthal." El enigma ha sido cómo se consigue el organofosfato y la molécula de antídoto en este espacio restringido ".

En su estado congelado, la garganta no puede acomodar ninguna molécula grande, mucho menos ambos al mismo tiempo, lo que ha frustrado los intentos de los investigadores de desarrollar nuevos antídotos.

En lo profundo de la garganta se encuentra el sitio de la enzima activa, donde el neurotransmisor, acetilcolina, se descompone y los antídotos funcionan.

"El sitio de la enzima activa ha evolucionado para adaptarse rápidamente a los neurotransmisores, ", dijo Radić." Hasta 10, 000 neurotransmisores pueden entrar y salir del sitio de la enzima cada segundo ".

Los organofosforados se unen al sitio de la enzima activa y bloquean la degradación del neurotransmisor.

"La única explicación de cómo los organofosforados y los antídotos navegan por el desfiladero es que la proteína respira, "dijo Blumenthal.

Si bien la proteína no está inhalando y exhalando, los investigadores creen que su estructura es dinámica y cambia de forma para adaptarse a moléculas grandes. Usando rayos X, Blumenthal y sus colegas identificaron la ubicación de átomos pesados ​​en la estructura de la proteína, pero la magia detrás del movimiento de la proteína radica en mapear la ubicación exacta de los átomos de hidrógeno más ligeros, que constituyen la mitad de los átomos de la proteína.

"Típicamente, solo tenemos nuestra imaginación para mapear dónde están los átomos de hidrógeno en la estructura cristalina en base a nuestra intuición y conocimiento químico, "dijo Andrey Kovalevsky, Científico del personal de I + D en la División de Biología y Materias Blandas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). "Esto no siempre nos da la respuesta correcta".

Si bien la cristalografía de neutrones es más cara, y menos disponible que la cristalografía de rayos X, Kovalevsky se sorprende constantemente por los resultados inesperados. Al golpear el cristal, el haz de neutrones se propaga, produciendo un patrón de difracción que detalla la ubicación de cada átomo, incluso los átomos de hidrógeno, en la estructura.

"Las estructuras reveladas por la difracción de neutrones pueden reescribir completamente nuestra comprensión de la química detrás de los procesos biológicos, desde cómo funcionan las enzimas hasta la forma en que los medicamentos se unen a un objetivo, "Dijo Kovalevsky.

Evitando los obstáculos de la Tierra

Pero Kovalevsky estaba bloqueado. A pesar de pasar años desarrollando condiciones óptimas de crecimiento en la superficie de la Tierra, ningún cóctel hizo crecer estos cristales de proteínas lo suficientemente grandes como para difractar el haz de neutrones.

"El crecimiento de cristales es un arte, ", dijo Kovalevsky." Todo cristalógrafo lucha con este proceso para producir cristales que sean lo suficientemente grandes y de buena calidad ".

Fue entonces cuando tuvo la loca idea. Envía los cristales al espacio.

Sus colegas estuvieron de acuerdo.

"Cuando llegué a Oak Ridge, Aprendí sobre otros científicos que probaron este camino y cultivaron mejores cristales en el espacio, "dijo Kovalevsky. Entonces, Él rió, "Al crecer en Ucrania, Nunca imaginé que enviaría un experimento al espacio ".

Si bien los cristales en el espacio solo pueden crecer un poco más que sus contrapartes en la Tierra, crecerán más a lo largo de cada dimensión de su estructura tridimensional. Como resultado, el volumen aumentará drásticamente.

Además, se forman de una manera más organizada. Un cristal se compone de unidades más pequeñas, que se ensamblan como bloques de construcción en un patrón uniforme. En el espacio, esos bloques se juntan en un patrón más regular para formar un mejor cristal.

"Un volumen más grande y un cristal más organizado, ", dijo Kovalevsky." Todo está conectado para producir un mejor patrón de difracción ".

Pero Kovalevsky tuvo que luchar. Tenía menos de un año después de que sus colegas aseguraran un lugar en un futuro vuelo espacial para volver a optimizar el sistema para hacer crecer estos cristales de proteínas dentro de los confines de una nave espacial.

Los cristales que regresarán a la Tierra en cuatro cortos meses serán un cristal compuesto, que consta de la proteína AChE más uno de los tres antídotos experimentales:dos creados en UCSD y un antídoto de organofosfato ampliamente probado, MMB4. Kovalevsky someterá estos cristales a un haz de neutrones en ORNL.

Después de definir la estructura de la proteína, usarán esta información en simulaciones por computadora para diseñar nuevas moléculas que puedan acceder al sitio de activación en la base del desfiladero. Sintetizarán posibles antídotos y compararán su eficacia con el tratamiento actual aprobado por la FDA. 2-PAM.

Los investigadores ahora deben jugar el juego de esperar hasta que los cristales regresen a la Tierra. Anticiparon que la nave espacial de regreso aterrizará en el Océano Pacífico en octubre. Los 90 cristales contenidos dentro del pequeño, las cajas negras habrán viajado cientos de millas desde la Tierra hasta la ISS y de regreso a casa.

"Cuanto más rápido podamos obtener la información del cristal, cuanto más rápido podamos empezar a trabajar para identificar y crear nuevos antídotos, "dijo Blumenthal.