Desarmando el Rompecabezas Proteínico

Basado en una nota de prensa del Centro Ames de Investigación de la NASA

Gracias a un nuevo supercomputador, es posible que los científicos puedan acercarse un paso más a la comprensión de uno de los más complicados rompecabezas de la naturaleza. Los científicos del Centro Ames de Investigación de la NASA están utilizando el procesador SGI 512 Origin 3000, el más poderoso supercomputador paralelo de su clase, para intentar determinar la estructura de las proteínas.

Las proteínas juegan un papel fundamental en las células vivas, actuando como catalizadores de todas las reacciones químicas. Las proteínas también actúan como una especie de “sistema nervioso” de la célula, trasmitiendo señales desde el medioambiente exterior. Ayudan a transportar nutrientes hacia la célula, y también ayudan a convertir ese mismo alimento en energía.

La función de una proteína particular está determinada por su forma. Una proteína consiste en una columna vertebral rígida de átomos de carbono, oxígeno y nitrógeno. Unidas flojamente a esta columna vertebral se encuentran cadenas de aminoácidos (la unión entre cada aminoácido es denominada enlace péptido). Esta molécula en forma de cadena, que puede contener desde 50 hasta varios centenares de aminoácidos, es conocida como polipéptido. Algunas proteínas consisten solamente de una cadena polipéptida, mientras que otras están compuestas por varias cadenas unidas por débiles enlaces moleculares. Estas cadenas de aminoácidos determinan la forma de la proteína.

“Comenzando con información sobre la secuencia de aminoácidos, sería posible, utilizando métodos computaciones, descubrir la estructura de una proteína a partir solamente de la secuencia,” dice Andrew Pohorille, un científico del Centro de Investigación Ames.

Pero los científicos han encontrado muy difícil el determinar la estructura de una proteína aún cuando conozcan la secuencia de sus aminoácidos, ya que cada uno de ellos puede tener cinco orientaciones diferentes posibles. Ya que las proteínas contienen al menos 50 aminoácidos, aún las más cortas de ellas pueden tener sus aminoácidos dispuestos en miles de posibles combinaciones diferentes.

Las cadenas de aminoácidos se enroscan entre sí en una variedad de formas, plegándose en una configuración distintiva. La manera en que se pliegan entre sí determinan tanto la estructura como la función de la proteína. La dificultad en determinar la estructura de una proteína a partir de sus aminoácidos constituyentes se conoce como “el problema del plegado proteínico”, o PFP (siglas de su nombre en inglés: Protein-Folding Problem).

Pohorille dice que existe una variedad de métodos computacionales que apuntan a resolver el PFP. Los métodos más directos intentan determinar la serie de pequeños pasos que llevan a que la proteína se pliegue en una configuración determinada.

Este método, sin embargo, consume muchísimo tiempo, puesto que existen aproximadamente mil billones (1015) de pasos. Un computador capaz de calcular un millón de esos pasos cada segundo, tendría que trabajar las 24 horas del día durante 32 años para completar su tarea. Las mayores simulaciones computacionales hasta ahora se han extendido a solamente un billón (1012) de pasos.

“Tenemos la esperanza de que por medio de una combinación de nuevos y poderosos computadores, una programación paralela eficiente y nuevos algoritmos, seremos capaces de alcanzar nuestra meta,” dice Pohorille. “Las técnicas de visualización 3D y de manipulación de estructuras que están siendo desarrolladas por Chris Henze y su grupo podrían impulsar fuertemente nuestros esfuerzos.”

“Lo que llevaba un año entero calcular en un procesador solitario, podría ser realizado en menos de un día en un procesador 512,” dice Henze, otro científico de Ames que está trabajando en las simulaciones de formación proteínica con Pohorille. “Sin embargo, con el poder de supercomputación actual, tomaría meses o años de cálculos la simulación de cómo aún una pequeña proteína se pliega de determinada manera.”

Esta investigación forma parte de un proyecto mayor financiado por el Instituto de Astrobiología de la NASA para construir modelos de laboratorio de las protocélulas (los ancestros de las primeras células) por medio de una combinación de estudios experimentales y computacionales. Las proteínas de las modernas células son mucho más complicadas de lo que pudieron ser en las protocélulas primitivas. Ya que las protocélulas no existen hoy en día, la única forma de entender cómo podrían haber funcionado es reconstruirlas en un laboratorio.

“Una de las metas de la astrobiología es entender el origen de la vida sobre la Tierra y en otros lugares del universo,” dice Pohorille. “Sin duda, las proteínas han jugado un importante papel en este proceso. Hasta la fecha, los intentos de construir proteínas simples pero funcionales han sido enormemente infructuosos. Queremos diseñar esas proteínas.”