Un caballo de Troya para los aminoácidos artificiales

La vida utiliza 20 bloques de aminoácidos, a partir de los cuales se ensamblan las proteínas. Aunque la limitación a 20 aminoácidos permite una gran variedad de estructuras y funciones proteínicas, también establece unos límites químicos claros. En el laboratorio, sin embargo, los químicos pueden sintetizar teóricamente miles de aminoácidos artificiales, muchos de los cuales tienen propiedades completamente nuevas.

Estos bloques de construcción artificiales pueden incorporarse específicamente a proteínas de células vivas mediante métodos biotecnológicos. "Las proteínas con aminoácidos no naturales insertados específicamente abren muchas posibilidades nuevas tanto para aplicaciones médicas e industriales como para la investigación científica", explica Kathrin Lang, catedrática de Biología Química de la ETH de Zúrich.

Nuevas terapias y potentes enzimas

Los aminoácidos artificiales abren nuevas posibilidades en todos los ámbitos de las aplicaciones basadas en proteínas. Gracias a grupos químicos adicionales, las proteínas terapéuticas pueden funcionar de forma más eficaz y selectiva. Los componentes fluorescentes o las moléculas con átomos como el cloro o el flúor, que normalmente no se encuentran en las proteínas, pueden mejorar las técnicas de imagen en medicina e investigación. Se están haciendo posibles enzimas con capacidades catalíticas novedosas, y se pueden utilizar aminoácidos reticulantes específicos para fabricar proteínas que funcionen eficazmente incluso en condiciones externas extremas, como el calor o la presión. Además, los grupos de acoplamiento especiales permiten unir sustancias activas a proteínas portadoras para transportar fármacos de forma fiable a los tejidos enfermos.

Secuestro de un sistema de transporte bacteriano

Hasta ahora, la inserción selectiva de aminoácidos sintéticos en proteínas ha sido mucho menos eficaz que la producción de proteínas compuestas únicamente por los 20 aminoácidos naturales. Por tanto, las aplicaciones se han limitado en general a proyectos de investigación a pequeña escala. Un cuello de botella importante es que a menudo sólo cantidades muy pequeñas de aminoácidos no naturales entran en las bacterias utilizadas para la producción biotecnológica.

Ahora, el grupo de Lang ha desarrollado una solución que permite introducir aminoácidos artificiales en bacterias de forma eficiente. Esto significa que la "caja de herramientas de aminoácidos" puede ampliarse de forma factible para su uso generalizado en medicina y en la industria biotecnológica. Para ello, los investigadores han secuestrado un sistema de transporte natural de la bacteria E. coli. Normalmente sirve para transportar fragmentos cortos de proteínas, conocidos como péptidos, al interior de la célula desde el entorno.

El sistema de transporte consta de dos unidades: un canal en la membrana celular y una lanzadera. La lanzadera reconoce los péptidos con una longitud de tres o cuatro aminoácidos y los envía al canal, que los canaliza hacia el interior de la célula. Una vez allí, los péptidos se descomponen en sus aminoácidos individuales. La maquinaria celular dispone de ellos para sintetizar nuevas proteínas. Como el sistema tiene que funcionar con todas las combinaciones de aminoácidos naturales, no es especialmente exigente. Los péptidos que contienen aminoácidos artificiales también se canalizan, aunque a menudo sólo en pequeñas cantidades, si es que lo hacen.

Un enfoque evolutivo de la unión específica

Los bioquímicos de la ETH utilizaron dos trucos para permitir que el sistema de transporte importara también aminoácidos no naturales en grandes cantidades. En primer lugar, empaquetaron estos aminoácidos en péptidos sintéticos cortos, en los que estaban rodeados de bloques de construcción naturales. El transportador deja pasar fácilmente esta "carga", como un caballo de Troya molecular.

En segundo lugar, los investigadores modificaron específicamente el componente del transportador. Para ello, determinaron la estructura molecular del sitio de unión de los péptidos de la lanzadera. A continuación, modificaron progresiva y sistemáticamente esta zona en experimentos hasta que el sitio de unión se adaptó a un péptido específico con aminoácidos artificiales.

Para adaptar el sitio de este modo, los investigadores utilizaron métodos que emulan la evolución biológica a gran velocidad. Este método puede utilizarse ahora para adaptar el sistema de transporte a una amplia gama de péptidos con aminoácidos no naturales. Por ejemplo, el equipo pudo introducir aminoácidos voluminosos o cargados negativamente que antes no podían importarse a las células.

"Los aminoácidos no naturales están ahora disponibles en grandes cantidades dentro de las células E. coli, la bacteria más común utilizada en biotecnología. Esto permite incorporar eficazmente diversos bloques de construcción artificiales a las proteínas mediante métodos de expansión del código genético", afirma Tarun Iype, estudiante de doctorado del grupo de Lang y uno de los autores principales del estudio.

"En muchos casos, por tanto, es posible producir proteínas de diseño que contengan aminoácidos no naturales con la misma eficacia que sus homólogos naturales", añade Maximilian Fottner, científico principal del grupo de Lang y también autor principal del estudio. La ETH de Zúrich ha solicitado la patente del nuevo método.

Ampliar el sistema a otras moléculas sintéticas

Este método funciona actualmente en bacterias E. coli. "También estamos trabajando para diseñar un sistema comparable en células humanas", dice Lang. "Esto podría utilizarse para producir proteínas similares a las humanas con propiedades que las hagan más adecuadas para una amplia gama de aplicaciones terapéuticas".

Sin embargo, los planes de los bioquímicos de la ETH también van más allá de los aminoácidos, como explica Lang: "Queremos seguir desarrollando el sistema para que también pueda importar otras moléculas que antes no podían entrar en las células". Estas moléculas importadas podrían servir entonces como materiales de partida para la producción biotecnológica eficiente de compuestos químicos complejos cuya síntesis es actualmente ineficiente o imposible.