Investigadores diseñan un sistema flexible que evita la unión cobre-proteína

Puede parecer contradictorio para muchos, pero los iones metálicos juegan un papel fundamental en la vida, ya que llevan a cabo algunos de los procesos biológicos más importantes. Piense en la hemoglobina, una metaloproteína responsable de transportar oxígeno a los órganos del cuerpo a través de los glóbulos rojos. Las metaloproteínas son proteínas unidas por al menos un ion metálico. En el caso de la hemoglobina, ese metal es el hierro.

Para que las metaloproteínas funcionen correctamente, deben combinarse con el ion metálico— la hemoglobina solo puede funcionar con hierro Sin embargo, la unión proteína-metal normalmente se rige por un orden estricto, llamado Serie de Irving-Williams, que determina que iones de cobre debe unirse a proteínas en otros metales.

En otras palabras, si una célula contuviera cantidades iguales de diferentes iones metálicos, la mayoría de las proteínas celulares y otros componentes se unirían entre sí. cobre, bloqueando la maquinaria celular en el proceso. Esta es la razón por la cual los organismos gastan una energía considerable manteniendo controles muy estrictos sobre la cantidad de cobre libre presente en las células.

Ahora, investigadores de la División de Ciencias Físicas de la Universidad de California en San Diego han informado sobre una nueva estrategia de diseño de proteínas para evitar la serie de Irving-Williams. Los resultados fueron publicados a principios de esta semana en la revista Naturaleza.

El profesor de química y bioquímica Akif Tezcan y el académico postdoctoral Tae Su Choi diseñaron una proteína flexible que se une selectivamente a otros iones metálicos en el cobre, allanando el camino para el diseño de nuevas proteínas funcionales y agentes de eliminación de metales. Choi y Tezcan descubrieron que la unión selectiva a metales distintos del cobre requería que la proteína artificial tuviera una combinación muy específica de aminoácidos y geometrías para discriminar el cobre. Este descubrimiento requirió un enfoque de diseño inusual.

«El diseño de proteínas generalmente implica tratar de crear una estructura de proteína discreta que pueda realizar una determinada función, como la catálisis. Este enfoque es inherentemente determinista y sigue la secuencia de un diseño, una estructura, una función», dijo Tezcan. «En el mejor de los casos, obtienes la estructura y la función diseñadas. Sin embargo, este enfoque no deja mucho espacio para descubrir nuevos principios de diseño o resultados inesperados que son potencialmente más significativos de lo planeado originalmente».

Tezcan y Choi adoptaron un enfoque probabilístico. Al principio, su proteína modificada no fue diseñada para tener una estructura única que se uniera selectivamente a cierto tipo de metal. Crearon un sistema flexible que podía organizarse de muchas maneras para unir diferentes iones metálicos en diferentes geometrías. Fue esta flexibilidad la que los llevó a un resultado que no habían planeado originalmente.

«Al analizar estos sistemas, vimos que las proteínas se unían a los iones de cobalto y níquel antes que al cobre, que no es el orden natural de las cosas», dijo Choi. «Hicimos hipótesis y probamos nuevas variantes. Después de un análisis exhaustivo, nos dimos cuenta de que podíamos construir un entorno proteico en el que el cobre estuviera en desventaja».

«Este es un ejemplo de cómo diseñar un camino en lugar de un objetivo», explicó Tezcan. «Personalmente, creo que esta es una forma más emocionante de abordar el problema del diseño de proteínas. Al incorporar un elemento de flexibilidad en el diseño, dejamos abierta la posibilidad de diferentes resultados y nuevos principios de diseño que quizás no conocíamos de antemano. . «

búsqueda selectiva metal vinculante y proteína el diseño importa más allá de una mejor comprensión de los fundamentos de la vida. También puede sentar las bases para procesos más eficientes durante la remediación ambiental, como cuando ciertos metales deben ser secuestrados en agua contaminada. El diseño de proteínas también es una parte crítica de la investigación y el desarrollo farmacéutico.

«Estábamos intrigados por la pregunta ‘¿Podemos Proyecto ¿Proteínas que pueden unirse selectivamente a metales o tener reacciones catalíticas en formas que la evolución aún no ha inventado?'», Dijo Choi. «El hecho de que la biología no haga eso no significa que no se pueda hacer».