Una gota en el laboratorio reveló pistas sobre el origen de las proteínas

Pequeñas gotas formadas por péptidos y ARN observadas bajo un microscopio (Instituto Weizmann)

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Dos misterios biológicos, separados por miles de millones de años, se unieron en un proyecto de investigación en el Instituto de Ciencias Weizmann.

Una de ellas tiene que ver con el origen de la vida, o más precisamente, con el origen de las proteínas, esas moléculas biológicas esenciales para la vida. ¿Cómo evolucionaron los pequeños segmentos de proteínas que flotaban en la sopa primigenia —el entorno húmedo y rico en moléculas orgánicas que se cree que existió en la Tierra hace unos cuatro mil millones de años— hasta convertirse en las moléculas proteicas mucho más grandes y complejas que conocemos hoy?

Para abordar esta cuestión, científicos del laboratorio del difunto profesor Dan Tawfik , junto con sus colegas, reconstruyeron matemáticamente un posible ancestro perdido de las proteínas modernas. En su modelo, este ancestro constaba de dos pequeños segmentos proteicos, o péptidos, con secuencias de aminoácidos casi idénticas: una “palabra” peptídica repetida dos veces para formar una simple “frase” proteica. Esta repetición sugería que algunas de las primeras proteínas podrían haberse creado mediante el emparejamiento de secuencias de aminoácidos.

Evolución propuesta de proteínas antiguas: desde péptidos individuales sin estructura que flotan libremente (turquesa, izquierda) hasta una proteína ancestral fusionada y estructurada que se une al ADN (turquesa, derecha) a través de un paso intermedio: péptidos ensamblados en dímeros dentro de gotitas (centro) (Instituto Weizmann)

Para reproducir este proceso en el laboratorio, los científicos sintetizaron su hipotética proteína ancestral, la dividieron en dos y colocaron las “palabras” peptídicas resultantes en agua. No encontraron indicios de que las palabras se ensamblaran en pares, pero cuando el Dr. Liam Longo, entonces investigador postdoctoral en el laboratorio de Tawfik, añadió a la mezcla cierta cantidad de ARN —que podría haber sido una molécula dominante en el mundo prehistórico—, el agua se volvió turbia de repente. Bajo el microscopio, Longo observó que los péptidos con carga positiva se habían condensado en gotitas al combinarse con el ARN con carga negativa.

“Fue realmente emocionante porque los eventos de ensamblaje que buscábamos podrían haber tenido lugar dentro de esas gotas”, afirma Longo, ahora investigador principal del Instituto de Tecnología de Tokio.

De hecho, hace poco más de una década, los científicos descubrieron que gotitas similares están presentes de forma natural dentro de las células. Estas fascinantes construcciones son conjuntos líquidos de proteínas solas, o proteínas con ARN o ADN; forman algo así como gotas de aceite en agua, a través de la separación de fases entre dos líquidos. Dentro de las gotitas, las proteínas pueden alcanzar concentraciones cientos de veces superiores a las que están en el exterior. En 2018, la revista Science nominó a las gotitas para el Avance del Año, refiriéndose al estudio de dichas gotitas como “uno de los temas más candentes en biología celular”. Sin embargo, todavía se desconoce mucho sobre los mecanismos por los cuales se forman estas gotitas y qué propósitos cumplen en las células; por ejemplo, podrían usarse para almacenamiento o para realizar funciones reguladoras.

Ahí es donde convergen los dos misterios biológicos. Tawfik, del Departamento de Ciencias Biomoleculares de Weizmann, emprendió el estudio de gotitas de ARN-péptido para determinar si podrían haber desempeñado un papel en el origen de las proteínas, pero estaba claro que esta investigación también podría arrojar nueva luz sobre las funciones que desempeñan gotitas similares hoy en día en el cuerpo humano.

(de izq. a der.) Dr. Manas Seal y Prof. Daniella Goldfarb (Instituto Weizmann)

Tawfik y sus colegas plantearon la hipótesis de que, en el mundo prehistórico, las gotitas de ARN-péptido formadas en la sopa primigenia podrían haber servido como protocélulas, precursoras de las células vivas modernas. Estas gotitas habrían creado una especie de compartimento, uniendo los péptidos desde su aislamiento en la vasta y diluida sopa, permitiéndoles así autoensamblarse en estructuras duales llamadas dímeros: pares de moléculas peptídicas atraídas entre sí por fuerzas moleculares. Un dímero podría posteriormente fusionarse en una sola molécula, creando una proteína ancestral de dos palabras similar a la reconstruida por los científicos.

Sin embargo, encontrar evidencia de la existencia de tales dímeros resultó problemático, ya que no podían detectarse mediante los métodos estándar de resolución de estructuras que se aplican a las soluciones: la resolución que ofrecen estos métodos es demasiado baja para esta tarea. Para superar este obstáculo, Tawfik y sus colegas colaboraron con la profesora Daniella Goldfarb, del Departamento de Física Química y Biológica de Weizmann, quien estudia la estructura y la dinámica de las proteínas mediante resonancia paramagnética electrónica. «Esta colaboración surgió de mi amistad con Danny», recuerda Goldfarb. «Me comentó que tenía una hipótesis sobre la evolución de proteínas complejas a partir de péptidos primordiales, y le sugerí probar esta idea experimentalmente, aprovechando la experiencia de mi laboratorio».

Goldfarb y sus colegas se propusieron buscar los dímeros propuestos por Tawfik marcando los péptidos con marcadores de espín, pequeñas moléculas con propiedades magnéticas especiales, preparadas en el laboratorio del profesor Norman Metanis de la Universidad Hebrea de Jerusalén. Al colocar los péptidos marcados en un campo magnético, estos marcadores actúan como espías que informan sobre las propiedades del péptido al que están unidos. Así, cuando los científicos realizaron un experimento llamado resonancia doble electrón-electrón, en el que aplicaron una serie de pulsos de microondas a una solución que contenía péptidos, pudieron determinar la distancia entre los péptidos detectando ciertas interacciones magnéticas entre los marcadores. Si las interacciones revelaran que dos péptidos están muy cerca, significaría que habían formado un dímero. Sin embargo, optimizar las condiciones experimentales fue complicado, y las mediciones iniciales no detectaron ningún dímero en una solución de péptidos, con o sin ARN.

En medio de la búsqueda, ocurrió una tragedia. El 4 de mayo de 2021, Tawfik murió al caerse en un accidente de escalada.

Con una sincronización asombrosa, al día siguiente el Dr. Manas Seal, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Goldfarb, logró encontrar dímeros en una solución de péptidos.

El profesor Dan Tawfik, líder de la investigación, falleció poco antes de ver los resultados (Instituto Weizmann)

“Me rompe el corazón que Danny nunca haya podido ver este resultado”, dice Longo. “Tenía muchísimas ganas de ver estos dímeros”.

Los científicos continuaron sus experimentos para determinar si los péptidos también forman dímeros al unirse al ARN dentro de las gotitas. Primero, los investigadores demostraron que los péptidos efectivamente se unen al ARN en las gotitas: lo confirmaron al detectar una ralentización en el movimiento de sus espías. A continuación, se propusieron rastrear las interacciones magnéticas entre los espías. Sin embargo, interpretar las señales magnéticas obtenidas de gotitas densamente compactadas resultó extremadamente difícil. Los científicos analizaron una amplia variedad de proporciones de ARN y péptidos hasta que lograron demostrar la existencia de los dímeros dentro de las gotitas.

“Descubrimos que la unión al ARN, de hecho, potencia la formación de los dímeros”, afirma Seal, quien dirigió estos experimentos. “Esta unión probablemente facilita que los péptidos se encuentren, al igual que dos personas separadas por una gran distancia podrían encontrarse más fácilmente si se agarran a la misma cuerda”.

Los hallazgos del estudio sugieren que, en la antigüedad, las gotitas podrían haber sido el crisol de un paso crucial en la evolución de las proteínas. Podrían haber posibilitado la transición de péptidos cortos a proteínas más largas que se pliegan en las intrincadas estructuras que les permiten realizar funciones biológicas. Una de las primeras funciones de este tipo —la observada en la proteína ancestral reconstruida por Tawfik y sus colegas— fue la unión a ácidos nucleicos, como el ARN o el ADN, un primer paso necesario para promover la expresión del código genético. «En nuestro artículo, nos referimos a las gotitas como una ‘cuna’ para la evolución de las proteínas plegadas», afirma Longo.

El pliegue característico (HhH)2 y su unión al surco menor de una molécula de ADN moderna. ¿Cómo se formaron las primeras? (Instituto Weizmann)

Las proteínas que se encuentran en gotitas dentro de nuestras células pueden alcanzar concentraciones de 3 a 15 micromolares, cientos de veces más altas que en el citoplasma.

Estos conocimientos también podrían resultar relevantes para comprender qué sucede dentro de las gotitas que participan en diversos procesos celulares fundamentales, tanto en el cuerpo humano sano como en el enfermo. Por ejemplo, se cree que los defectos en los mecanismos de formación de gotitas contribuyen a las enfermedades neurodegenerativas; un conocimiento profundo de estos mecanismos y de cómo afectan la estructura proteica podría orientar hacia nuevos métodos de diagnóstico y tratamientos.

Los autores del estudio también incluyeron a la Dra. Dragana Despotovic del laboratorio de Tawfik; Orit Weil-Ktorza y ​​el Prof. Norman Metanis de la Universidad Hebrea de Jerusalén; y el Prof. Koby Levy del Departamento de Biología Química y Estructural de Weizmann. La investigación de la profesora Goldfarb cuenta con el apoyo de la Cátedra Erich Klieger de Física Química.