Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Danza molecular

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Si miráramos cualquier parte de un ser vivo a una escala de Ångströms (una diez mil millonésima de metro), veríamos una danza de átomos y moléculas, desde los iones cruzando la membrana celular de una neurona, ahora que estás leyendo esto, hasta la molécula de ADN en uno de nuestros cromosomas, la cual mide centímetros y guarda las instrucciones necesarias para la vida.

En esta danza las moléculas se asocian unas con otras, realizan funciones esenciales para la vida, y se vuelven a separar; podríamos decir que la salud refleja una danza molecular con una coreografía armónica, donde cada danzante realiza su parte, justo dónde y cuándo le toca hacerlo. Como imaginarás, queremos entender lo que nos permite estar sanos y el fundamento molecular de lo que nos hace enfermar o envejecer. Si comprendemos la danza de las moléculas, podremos entender cómo funcionamos y tendríamos la capacidad de arreglar lo que falla.

¿Cómo estudiamos a las moléculas y su danza?

Conocer la estructura es un primer paso para entender a las moléculas. Éstas son tan pequeñas que no se pueden ver con los microscopios normales, por lo que usamos otras herramientas. La cristalografía de rayos X (CRX) usa luz de una longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de las moléculas para obtener información sobre cómo están dispuestos en el espacio. Como no hay lentes que recojan esta luz dispersada y la conviertan en una imagen, se usan matemáticas para hacerla de lente y reconstruir la imagen.

Esta es la herramienta más exitosa que tenemos para estudiar la estructura de las moléculas de la vida. El álbum de fotos de las proteínas, ADN y otras moléculas de interés biológico es una base de datos abierta, internacional, llamada Protein Data Bank (PDB: www.rcsb.org). A partir de estas fotos, se generan imágenes biológicamente correctas de cómo se ve, por ejemplo, el interior de una célula.

Tener un álbum de fotos representa un primer acercamiento a las moléculas de la vida; es útil y nos enseña detalles asombrosos, pero le falta un ingrediente de todo sistema vivo: el movimiento. La fotografía de una fiesta nos dice quién estuvo en ella, pero no nos dice lo que ocurrió en el evento o la dinámica de la fiesta. Para conocerla necesitamos una herramienta que mida cambios moleculares con respecto al tiempo.

La resonancia magnética nuclear (RMN) nos permite estudiar el ambiente de los núcleos de los átomos de las moléculas y nos indica cómo esta molécula cambia cuando se acerca otra molécula o cuando la molécula baila sola. Al igual que la CRX, la RMN usa a las matemáticas para convertir la información colectada en la estructura de la molécula (depositada también en el PDB), y además saber qué partes y con qué frecuencia se mueven; esto último es crucial para entender la función de las biomoléculas. Los movimientos con los que danzan las proteínas ocurren en tiempos que van desde los picosegundos (un billonésimo de segundo) hasta los segundos. La RMN permite estudiar todas estas escalas de tiempo, y por eso es una herramienta fundamental de la Biofísica.

Tanto la CRX como la RMN usan cantidades grandes (miles de billones) de moléculas para estudiarlas. En el primer caso, hay que formar un cristal, que es un arreglo ordenado en el espacio de muchas copias de la molécula (imagínate un desfile militar, con los soldados formados en un patrón constante). En el segundo, se usa una alta concentración de la molécula porque las señales que se miden son pequeñas, y todas estas señales deben sumarse. Esto implica que ambas herramientas estudian principalmente la pose más frecuente del baile molecular.

Imagina un bailarín que brinca y da un giro en el aire; el tiempo que pasa en el aire es poco comparado con el tiempo que está en el piso, por lo que la pose más frecuente no describe todo el proceso. Para estudiar poses poco frecuentes usamos a las computadoras y lo que sabemos de física y química.

Partiendo de las coordenadas de los átomos de las moléculas, obtenidas del PDB o modeladas por su similitud con otra molécula conocida, hacemos simulaciones del movimiento de las moléculas en distintas condiciones. Las dejamos que hagan lo que quieran, o las invitamos a realizar distintos movimientos, y les preguntamos si les gustan o no. Simulamos el proceso de unión y separación de las moléculas, aproximándonos a la coreografía molecular que realmente ocurre. Realizamos estos cálculos en supercomputadoras, como las del Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste en Puebla, y el Laboratorio Nacional de Cómputo de Alto Desempeño en la Ciudad de México. Por supuesto, toda esta información computacional se contrasta con experimentos realizados en el laboratorio, en un ciclo de generación de ideas y su comprobación experimental.

La Biología Estructural en el campus Chamilpa de la UAEM y Morelos de la UNAM

En el campus Chamilpa de la UAEM existe una de las sedes del Laboratorio Nacional de Estructura de Macromoléculas, con equipos especializados para experimentos de RMN. Además, está el Laboratorio de Dinámica de Proteínas, consorcio formado por los laboratorios de los Dres. Carlos Amero (RMN), Lina Rivillas (espectroscopía de proteínas), Rodrigo Razo (químico medicinal computacional) y Nina Pastor (modelado molecular), en el que también contamos con supercómputo. En el mismo campus está el Instituto de Biotecnología de la UNAM, donde está el Dr. Enrique Rudiño (CRX). Todos nosotros aplicamos las herramientas descritas para entender cómo son y cómo funcionan proteínas importantes para la vida e involucradas en diversos problemas de salud y de biotecnología.

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Dra. Carmen Nina Pastor Colón / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación en Dinámica Celular de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos.

Dr. Enrique Rudiño Piñera / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México.