{"id":1847,"date":"2020-04-17T14:20:47","date_gmt":"2020-04-17T17:20:47","guid":{"rendered":"https:\/\/icc.fcen.uba.ar\/?p=1847"},"modified":"2022-03-29T10:31:05","modified_gmt":"2022-03-29T13:31:05","slug":"repeticiones-en-proteinas-una-clave-para-comprender-el-comportamiento-de-la-naturaleza","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/icc.fcen.uba.ar\/en\/repeticiones-en-proteinas-una-clave-para-comprender-el-comportamiento-de-la-naturaleza\/","title":{"rendered":"Repeticiones en prote\u00ednas: una clave para comprender el comportamiento de la naturaleza"},"content":{"rendered":"

Investigadores del ICC estudian la arquitectura de las prote\u00ednas que se encuentra en la naturaleza mediante la aparici\u00f3n de patrones de repetici\u00f3n en familias de prote\u00ednas e intentan responder qu\u00e9 es lo que hace que una secuencia de amino\u00e1cidos se comporte como una prote\u00edna. Para ello, establecieron una definici\u00f3n matem\u00e1tica de familiaridad entre secuencias y en base al trabajo con ciertas familias espec\u00edficas de prote\u00ednas lograron desarrollar una herramienta para verificar si la secuencia de amino\u00e1cidos tiene ciertas chances de funcionar como prote\u00edna o no. El proyecto resulta un puntapi\u00e9 inicial para entender los mecanismos biol\u00f3gicos subyacentes en cualquier organismo vivo.<\/strong><\/p>\n

Sin lugar a dudas, cuando la computaci\u00f3n y la biolog\u00eda se encuentran resulta una combinaci\u00f3n imparable: permiten encontrar nuevas soluciones algor\u00edtmicas o de modelado de problemas biol\u00f3gicos complejos. Justamente dentro del \u00e1rea de Modelado y Simulaci\u00f3n, investigadores del Instituto abarcan una l\u00ednea de trabajo vinculada a un problema central de los mecanismos biol\u00f3gicos: las<\/strong> prote\u00ednas<\/strong>.<\/p>\n

Normalmente, las mol\u00e9culas de prote\u00ednas se describen como\u00a0 secuencias finitas compuestas de unos elementos denominados amino\u00e1cidos. Generalmente se pueden observar en estas secuencias 20 tipos de amino\u00e1cidos distintos, aunque en realidad se componen de muchos tipos m\u00e1s pero que son poco probables de observar.<\/p>\n

No obstante, existe un hecho intrigante en la din\u00e1mica molecular: la mayor\u00eda de las secuencias de amino\u00e1cidos (llamadas tambi\u00e9n polip\u00e9ptidos) conocidas com\u00fanmente y que se encuentran en la naturaleza, parecen indistinguibles de secuencias de amino\u00e1cidos generadas al azar. Sin embargo, si se sintetiza en un laboratorio un polip\u00e9ptido ubicando sus amino\u00e1cidos de manera aleatoria en la secuencia, es altamente probable que esta\u00a0 cadena no se comporte como una prote\u00edna, es decir, no se va a plegar a estructuras espec\u00edficas ni va a funcionar en un contexto celular. Por lo tanto, reducir la descripci\u00f3n de las prote\u00ednas a secuencias lineales de amino\u00e1cidos individuales, hace perder un aspecto fundamental a la hora de explicar la biof\u00edsica, ciertamente compleja, del plegamiento y la funci\u00f3n de dichas prote\u00ednas.<\/p>\n

\u201cNuestra pregunta se resume en entender qu\u00e9 es lo que hace que una secuencia de amino\u00e1cidos se comporte realmente como una prote\u00edna<\/em>\u201d, comenta Pablo Turjanski<\/strong>, investigador del ICC y profesor del Departamento de Computaci\u00f3n. Una manera de responder esa pregunta ser\u00eda realizar una s\u00edntesis experimental, tarea que conlleva sus dificultades: \u201cSupongamos que tenemos s\u00f3lo secuencias de 100 amino\u00e1cidos de longitud, podr\u00edamos intentar sintetizar en el laboratorio todas las secuencias posibles y ver si se comportan como prote\u00ednas. El problema es que si consideramos s\u00f3lo 20 amino\u00e1cidos m\u00e1s comunes, tendr\u00edamos que generar 20 elevado a la 100 secuencias (20^100), lo cual es imposible de realizar de manera experimental<\/em>\u201d, puntualiza Turjanski.<\/p>\n

Ante esta situaci\u00f3n, los investigadores buscan \u201cc\u00f3digos estructurales\u201d en secuencias de prote\u00ednas, considerando qu\u00e9 relaciones aparecen entre los patrones de grupos de amino\u00e1cidos. Pero se trata de una tarea que se vuelve combinatoriamente prohibitiva para analizar exhaustivamente en todas las secuencias de prote\u00ednas. Tal es as\u00ed que se han realizado diversas heur\u00edsticas para resolver este problema, que permiten agrupar a las prote\u00ednas en familias e incluyen la alineaci\u00f3n m\u00faltiple de secuencias.<\/p>\n

Considerando que la arquitectura de las prote\u00ednas encontrada en la naturaleza puede analizarse mediante la aparici\u00f3n de patrones de repetici\u00f3n entre ellas, los cient\u00edficos propusieron una definici\u00f3n matem\u00e1ticamente rigurosa de repetici\u00f3n y desarrollaron un m\u00e9todo para caracterizar las prote\u00ednas. \u201cEl m\u00e9todo propuesto no requiere par\u00e1metros de ajuste (como los asociados a los m\u00e9todos que utilizan alineamiento de secuencias) y tiene una complejidad computacional casi lineal con el tama\u00f1o de la entrada, lo que permite realizar una b\u00fasqueda exhaustiva y eficiente. Al mismo tiempo, propusimos el concepto y la definici\u00f3n de una funci\u00f3n de familiaridad continua que proporciona una cuantificaci\u00f3n r\u00e1pida de la probabilidad de que una secuencia de amino\u00e1cidos pertenezca a un conjunto de secuencias dado<\/em>\u201d, explica el investigador del ICC y doctor en ciencias de la computaci\u00f3n (quien comenz\u00f3 trabajando en este problema junto a la investigadora Dra. Ver\u00f3nica Becher).<\/p>\n

Esta funci\u00f3n de familiaridad se calcula a partir de la b\u00fasqueda y coincidencia de repeticiones maximales en conjuntos de secuencias. \u201cNuestros resultados mostraron que, es posible detectar diferencias entre familias naturales de prote\u00ednas y secuencias aleatorias de amino\u00e1cidos y que para ello alcanza con tener en cuenta peque\u00f1os patrones de repetici\u00f3n<\/em>\u201d, afirma Turjanski y aclara que las restricciones halladas que deber\u00edan cumplir las secuencias de amino\u00e1cidos para comportarse como una prote\u00edna, son condiciones necesarias pero no suficientes para comportarse como una prote\u00edna, ya que a\u00fan se encuentran trabajando para ampliar estas restricciones. En este sentido, el proyecto de investigaci\u00f3n va en direcci\u00f3n a tratar de entender cu\u00e1les son las leyes de funcionalidad de estas secuencias de amino\u00e1cidos e incluso conocer si existen nuevas combinaciones entre secuencias que a\u00fan no hayan sido estudiadas.<\/p>\n

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Pablo Turjanski<\/p><\/div>\n

Actualmente Turjanski se encuentra en colaboraci\u00f3n con el Laboratorio de F\u00edsica de las Prote\u00ednas del Departamento de Qu\u00edmica Biolo\u0301gica (FCEyN, UBA-CONICET-IQUIBICEN) dirigido por los doctores Ignacio S\u00e1nchez y Diego Ferreiro. Este grupo tiene la capacidad de realizar experimentos de s\u00edntesis de prote\u00ednas y, entre otros temas, trabaja con una familia de prote\u00ednas denominadas ankyrinas, cuyo motivo evidente de repetici\u00f3n es de alrededor de 33 amino\u00e1cidos. A partir de la sinergia con los investigadores de Qu\u00edmica Biol\u00f3gica, lograron que antes de realizar la s\u00edntesis de una prote\u00edna tengan al alcance una herramienta de c\u00f3mputo, para verificar si la secuencia de amino\u00e1cidos tiene ciertas chances de funcionar como prote\u00edna o no.<\/p>\n

Los avances del proyecto se ubican a\u00fan en el campo de las ciencias b\u00e1sicas. Contar con la posibilidad de entender estos mecanismos biol\u00f3gicos es clave para el estado actual de la ciencia, que indaga permanentemente sobre las leyes estructurales que rigen en organismos vivos -desde seres humanos y animales, hasta plantas, vegetales, hongos y bacterias.<\/p>\n

Por \u00faltimo, en cuanto a la aplicaci\u00f3n posible de estas investigaciones, cabe recalcar que en la actualidad existen empresas de investigaci\u00f3n y desarrollo que sintetizan prote\u00ednas, con secuencias que a priori no han sido encontradas en la naturaleza (en el caso de aquellas derivadas de las prote\u00ednas ankyrinas naturales, se denominan DARPins) y que son utilizadas para combatir ciertas enfermedades.<\/p>\n

Publicaciones relevantes de los investigadores del ICC<\/strong><\/p>\n

-P. Turjanski; D. Ferreiro. On the Natural Structure of Amino Acid Patterns in Families of Protein Sequences<\/a>. J. Phys. Chem. B, 122 (49), pp 11295\u201311301 (Sep. 2018).<\/p>\n

-P. Turjanski; R.G. Parra; R. Espada; V. Becher; D. Ferreiro. Protein Repeats from First Principles<\/a>, Sci. Rep. 6, 23959; doi: 10.1038\/srep23959 (Abr. 2016).<\/p>\n<\/div>

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