Nº 04, abril, 2017

Cristalografía de proteínas

Conociendo el esqueleto de las proteínas

·         Estudios se implementan con éxito en el país

·         Crecen alianzas con grupos de investigación

William Mora M.
wmora@Conicit.go.cr.

¿Qué hace que la mantequilla esté más suave o más sólida? ¿Por qué un chocolate se deshace en los dedos al instante o hasta llegar a la boca?

Ubicado en el Laboratorio de Biología Estructural del Centro de Investigación en Biotecnología del Instituto Tecnológico de Costa Rica (TEC), el Dr. Hernández está dando continuidad a sus estudios, en la Universidad de Barcelona, con proteínas relacionadas con los procesos de coagulación sanguínea, también llamada "cascada de coagulación." Entre estas proteínas están el factor V y el factor VIII de la coagulación, el receptor de plaquetas PAR1, así como la trombina, proteínas implicadas en la formación de coágulos. Cuando la formación del coágulo se desencadena por un daño en los vasos sanguíneos, se pueden desencadenar enfermedades cardiovasculares, tales como, infartos o derrames cerebrales. Por tanto, mantener el equilibrio homeostático en la sangre es imprescindible para prevenir la formación de coágulos no deseados.

En el 2014, según estadísticas de la Caja Costarricense del Seguro Social se registraron 1,4 millones de consultas por enfermedades cardiovasculares, siendo la primera causa de morbilidad y muerte en el país.

Entender mejor cómo interactúan las proteínas relacionadas con la cascada de la coagulación resulta clave. Es en este punto donde toma preponderancia la ciencia cristalográfica, que permite desentrañar el "esqueleto" y acomodo de las proteínas; es decir, conocer cómo es su estructura tridimensional, para comprender mejor las funciones de sus partes y, mediante técnicas biotecnológicas explorar estrategias para inhibirlas o fomentar su actividad.

Las compañías farmacéuticas venden drogas que previenen los efectos de coagulación anormal en la sangre; sin embargo, en la letra menuda de las indicaciones también aparecen sus efectos secundarios; la idea del Dr. Hernández es trabajar en el diseño de fármacos alternativos que generen menos efectos dañinos.

La cristalografía de proteínas es como contar con un "súper microscopio atómico" por medio del cual se puede analizar los aminoácidos que conforman las proteínas y cómo estos se pliegan para formar estructuras tridimensionales. De esa forma, se pueden identificar los sitios importantes de la proteína (como el sitio activo), y entonces es factible diseñar agentes reguladores de su actividad.

¿Qué es la cristalografía?

En esencia es la ciencia que estudia los cristales de diferentes tipos de moléculas para comprender su función; en este contexto, estudiar los cristales de proteínas es fundamental, ya que las proteínas se consideran el motor de la vida, y están implicadas en todas las acciones celulares. La cristalografía tiene una variada gama de aplicaciones tanto en la biología molecular como en la farmacología, solo para mencionar dos campos relevantes.

La técnica cristalográfica involucra producir una proteína, aislarla de cualquier contaminante, para luego una vez concentrada lograr su cristalización. Esta ordenación de los átomos se puede analizar mediante un difractómetro de rayos X con lo cual se puede estudiar el arreglo que asumen las moléculas dentro del cristal; es decir mirar la forma cómo están distribuidos los átomos dentro del cristal.

En la ciencia mundial, la cristalografía es una de las ramas que más premios Nobel ha recibido; se calcula que al menos 26 de estos galardones se sustentan en estudios cristalográficos.

Según el investigador del TEC, esta ciencia se ha vuelto más accesible debido a la existencia de instalaciones sincrotrónicas de colaboración internacional y de software especializado que permiten analizar el alto volumen de datos. En España hace apenas alrededor de 30 años no existía trayectoria en la cristalografía de proteínas; hoy, este país compite con otras naciones como Alemania, Francia e Inglaterra.

Aunque en Costa Rica el inicio de las aplicaciones de esta ciencia apenas inicia, existen campos muy prometedores en biomedicina, especialmente por la alta biodiversidad y el creciente número de investigadores enfocados en esta disciplina.

El Dr. Erick Hernández es un biólogo de profesión, graduado de la Universidad de Costa Rica, quien realizó una maestría y un doctorado en Biomedicina de la Universidad de Barcelona; estudios que concluyó en Setiembre 2013.

Trabajo en red

Antes de su regreso al país, el Dr. Hernández ya había mapeado los centros de investigación y el personal científico con el cual poder realizar estudios colaborativos. Para orientar sus estudios sobre la cascada de la coagulación sanguínea, mantiene vínculos permanentes con el Instituto de Investigaciones Biomédicas, del Hospital de la Santa Creu i Sant Pau, Barcelona.

Localmente, trabaja proyectos con el grupo de investigación del Instituto Clodomiro Picado (ICP) y la Escuela de Química de la UCR; así como profesionales de la Escuela de Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional.

Con el ICP colabora en estudios para determinar, por medio de la cristalografía, la estructura de algunas proteínas de los venenos de serpientes ticas, en particular de la bocarará, Bothriechis schlegelii.

Gracias a esa colaboración ya se ha logrado descifrar una estructura tridimensional preliminar de una proteína fosfolipasa. Estas proteínas forman parte del veneno de esta serpiente y son responsable de parte del daño celular que sufren los pacientes afectados por mordeduras. Los resultados de estos estudios están en vías de publicación.

En proyectos futuros entre el personal del TEC y del ICP se busca el diseño de un agente inhibidor de esta fosfolipasa para prevenir el daño en los tejidos.

 --En muchos casos el efecto del veneno de serpiente hace que la persona mordida no cuente con el tiempo apropiado para llegar a los hospitales; por esto, en muchos casos sufren de grandes heridas y de posibilidad de amputación de algún miembro. La idea que se valora con el personal del ICP es estudiar la proteína para tratar de desarrollar un inhibidor en formulación de crema o pastilla que pueda usar la persona posterior al momento de la mordida para reducir los daños, aclara el Dr. Hernández.

Primeros resultados concretos

Gracias al aporte del Dr. Hernández, en asociación con los centros de estudios de la UCR, se ha podido por primera vez implementar y validar las técnicas de cristalografía de rayos X para el análisis de macromoléculas, mediante el uso de la proteína lisozima (datos por publicar).

Adicionalmente, sus estudios en cristalografía han permitido describir estructuras de interés biomédico relacionadas con la cascada de la coagulación sanguínea, asociadas con la trombina y el receptor de plaquetas PAR1.  Al final, lo que se busca es entender mejor los procesos de formación de los coágulos sanguíneos que producen en muchos casos infartos y derrames cerebrales.

̶ Yo puedo hacer cristalografía de proteínas, pero siempre es recomendable que se trabaje en equipo; por eso resulta valioso que en el 2016 se instalara en la Escuela de Química de la UCR el primer equipo de cristalografía dual (permite procesar moléculas pequeñas y grandes), añade el Dr. Hernández.

También se busca que más estudiantes realicen estudios doctorales en la ciencia de la cristalografía.

̶ Mis estudiantes están aprendiendo a usar estas herramientas, aun así, el país necesita más masa crítica para elevar la calidad de la investigación e ir más allá para generar productos sujetos de patentamiento, concluye el Dr. Hernández.

Dr. Erick Hernández Carvajal

Responsabilidad, disciplina y perseverancia; más que genialidad

·         Encomienda para los jóvenes estudiantes e investigadores: perseverancia.

William Mora M.
wmora@conicit.go.cr

Un buen ejemplo a seguir son los doctores Bruno Lomonte y José María Gutiérrez, por su área de investigación. Los admiro por su dedicación profesional y por ser las personas que son: humildes y colaboradores; buenos seres humanos.

̶ ¿Para ser un buen profesional hay que ser un buen ser humano?

Así lo creo. No solo se debe ser un académico, se debe ser una buena persona, se debe respetar a los demás.

̶ ¿Es Usted un investigador nato o especialista?

Me considero una persona equilibrada; ¡no soy una "rata de laboratorio", como a veces nos bromean!, pero si me gusta dedicar mucho tiempo a esto. También busco hacer cosas diferentes. Por ejemplo, también disfruto las tareas docentes porque puedo transmitir las experiencias de la investigación y explicar a los estudiantes.

̶ ¿Qué ve en los estudiantes?

Ellos tienen muchos deseos de hacer cosas, de aprender; tienen un espíritu emprendedor.

̶ ¿Tiene hoy las oportunidades que ha deseado?

Sí, estoy aprovechando bastante bien mi tiempo; la oportunidad que tengo; no hay frustración...

Cuando volví tenía cierta ansiedad de cómo me iba a engranar con la realidad del país; yo tuve la oportunidad de recibir el apoyo del TEC, a mi regreso pude empezar a realizar mis proyectos; por eso siento que aprovecho el tiempo apropiadamente.

Lo otro es llevar la investigación unos pasos más allá; hay buenos grupos de investigación en el país, unos van más adelante que otros, pero en general nos falta dar un paso más allá.

Ya es hora de lograr procesos de patentamiento en algunas áreas de investigación.  En otros casos, se podría hacer investigación de mayor nivel porque hay recurso humano y disponemos de algo de dinero para empezar. Necesitamos dar esos pasos más allá.