Las moléculas complejas emergen sin evolución o diseño

Las moléculas complejas emergen sin selección natural o diseño

En biología, las proteínas plegadas son responsables de la mayoría de las funciones avanzadas. Estas proteínas complejas son el resultado de la evolución o diseño de los científicos. Ahora, un equipo de científicos dirigido por el profesor de química de sistemas de la Universidad de Groninga, Sijbren Otto, ha descubierto una nueva clase de moléculas plegables complejas que emergen espontáneamente de bloques de construcción simples. Los resultados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society el 16 de enero.

El grupo de investigación Otto estudia cómo los bloques de construcción simples, en este caso una nucleobase unida al aminoácido ácido aspártico, pueden formar anillos. En investigaciones anteriores, Otto ha demostrado que tales anillos pueden formar pilas que pueden crecer y dividirse, y muestran un nivel de evolución química. Pero esta vez, sucedió algo diferente. Otto: 'Uno de mis estudiantes de doctorado, Bin Liu, notó que se formaron anillos muy grandes, polímeros de 15 bloques de construcción'. Eran extremadamente estables, por lo que finalmente la mayoría de los bloques de construcción se transformaron en estos anillos.

Patrones de plegamiento

Después de estudiar la estructura de los anillos con cristalografía de rayos X, quedó claro para el equipo que estaban plegados. 'Cuando los anillos forman pilas, hay interacción entre las moléculas. En este caso, la interacción tuvo lugar dentro de la molécula grande. Las partes hidrofóbicas del anillo se plegaban en el centro de la molécula, que también es lo que sucede con las proteínas en el agua. El patrón de plegado, sin embargo, es completamente diferente. Las proteínas son polímeros unidos por enlaces amina. En nuestras moléculas, los bloques de construcción están unidos exclusivamente por enlaces disulfuro. La diferencia en la estructura da como resultado un patrón de plegado diferente '.

Esta es la primera vez que se describe una estructura plegable compleja que es tan radicalmente diferente de las proteínas. "A pesar de décadas de investigación, todavía no tenemos reglas de diseño confiables que puedan predecir completamente el plegamiento de proteínas", explica Otto. Esto dificulta el diseño de nuevas enzimas. Una clase diferente de moléculas de plegamiento puede ayudarnos a comprender las reglas básicas del plegamiento molecular. 'Además, la molécula que describimos en nuestro artículo es solo la primera que hemos descubierto. El año pasado, descubrimos varios más

Origen de la vida

Las proteínas tienen dos estructuras plegables principales: las hélices alfa y la lámina beta. "En el diseño de proteínas, los científicos usan variaciones sobre estos temas, como agregar una hélice adicional", dice Otto. "Tienden a mantenerse cerca de lo que la naturaleza ha ofrecido". La nueva estructura plegable da como resultado cinco pilas de cinco anillos aromáticos. La molécula completa tiene una simetría de cinco bucles. "Sin embargo, las otras estructuras basadas en tioles que todavía estamos estudiando muestran otros tipos de plegamiento".

Una conclusión sorprendente del descubrimiento de esta nueva molécula plegable es que la complejidad puede surgir espontáneamente, sin la necesidad de la selección natural o de un diseño consiente. "Esto es interesante para la investigación del origen de la vida: aparentemente, puedes obtener estas moléculas complejas antes de que la evolución biológica haya comenzado". La formación de la nueva molécula está impulsada por el plegamiento, explica Otto. 'Eso es bastante especial. El nivel de energía de esta molécula es muy bajo. Esto impulsa el equilibrio de una mezcla "aleatoria" de anillos pequeños hacia este 15-mer específico muy estable”.

Diseño consiente

La nueva molécula plegada aumentará nuestra comprensión del plegamiento molecular, lo que debería estimular un diseño molecular racional alternativo basado al enlace peptídico. Aún no está claro si los polímeros a base al enlace tiol son tan útiles como los peptídicos para su uso en catálisis (como las proteínas en la naturaleza). "Sabemos que pueden unir otras moléculas, pero aún estamos tratando de descubrir si pueden tener propiedades catalíticas, como las enzimas". El plegado es importante para crear sitios activos en enzimas: “Se necesita un posicionamiento muy preciso de los residuos para crear un sitio activo. Esto no puede lograrse mediante enlaces químicos directos entre aminoácidos. Solo se puede lograr plegando la secuencia”.

El estudiante de doctorado Bin Liu, primer autor del artículo de JACS, ha jugado un papel muy importante en el estudio, dice Otto: descubrió la molécula plegada. “Los cristales para los estudios de difracción de rayos X fueron cultivados por Piotr Chmielewski en Polonia, con quien Liu ya colaboró ​​en su tesis de maestría. El laboratorio de Chmielewski también realizó los estudios de RMN. Los estudios de sincrotrón se realizaron con Ennio Zangrando y Nicola Demitri en Italia, y Liu viajó desde Groninga a Polonia y luego a Italia con las muestras”.

Referencias

University of Groningen. (2019, January 17). Complex molecules emerge without evolution or design. ScienceDaily. Retrieved October 24, 2019 from www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190117110824.htm

Liu, B., Pappas, C. G., Zangrando, E., Demitri, N., Chmielewski, P. J., & Otto, S. (2018). Complex molecules that fold like proteins can emerge spontaneously. Journal of the American Chemical Society, 141(4), 1685-1689.