Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La química bioortogona

La química bioortogona

El nombre de la revista NATURE está revestido de un gran prestigio. No en balde es una de las publicaciones científicas más reno,mbradas del mundo, ya que buena parte de los descubrimientos más portentosos del pasado siglo fueron ofrecidos desde sus páginas. Desde hace unos años, la revista matriz viene acompañada de otras publicaciones más especializadas, pero de idéntico rigor que la original. Así, existen Nature específicas para Medicina, para Genética, para Biología celular, para la Biotecnología, para la Práctica clínica, para Inmunología, para Materiales, para Métodos, para Neurociencias, para Física, para Biología Estructural y molecular, etc.

Este mes de junio ha tenido lugar el nacimiento de un nuevo miembro de esta extraordinaria familia, Nature Chemical Biology, es decir, la dedicada a la Química Biológica, uno de los nombres históricos para la Bioquímica, con el propósito de poner énfasis en las aportaciones de la Química al estudio de la materia y de los seres vivos. El artículo más importante del primer número de la revista se le ha encargado a dos grandes científicas, Jennifer A. Prescher y Carolyn R. Bertozzi, para que analicen las nuevas posibilidades que se empiezan a abrir mediante las técnicas que se han bautizado con el nombre de Química Bioortogonal. A esta nueva rama científica emergente, a sus logros y dificultades vamos a dedicar el artículo de hoy.

COMPLEJIDAD. El organismo de un ser humano está compuesto de billones de células. Una célula humana puede contener posiblemente, ya que no lo sabemos con precisión, centenares de miles de moléculas distintas. Dejando aparte al principal componente, que es el agua, el resto de materia seca está formada por lípidos, hidratos de carbono, ácidos nucleicos, iones inorgánicos, así como otros muchos metabolitos. Pero la porción más importante, aproximadamente un 60% de la masa seca, es la constituida por miles y miles de proteínas diversas, muchas de ellas unidas químicamente a moléculas menores no proteicas.

Esta intricada red interactiva de biopolímeros, iones y metabolitos lleva a cabo complejos procesos celulares. El estudio de reacciones aisladas "in vitro", en tubos de ensayo, usando unas pocas moléculas purificadas, ha sido históricamente muy eficaz para descubrir las grandes vías metabólicas, pero lo ideal sería investigar los procesos biológicos en el contexto de las propias células vivas o, mejor aún, de los organismos completos. Ello significaría poder identificar y seguir el destino de una determinada molécula dentro de su ambiente natural, pero pocas moléculas poseen propiedades que lo hagan posible. Desde luego, por su tamaño, ni la observación directa ni la microscópica nos valen.

Un ejemplo puede ser ilustrativo del problema. La celebración de un gran baile de máscaras, algunas coincidentes en el disfraz, se celebra en una gran carpa. Las máscaras se mueven, se acercan, se alejan y bailan unas con otras, etcétera. Desde un observatorio interno de la carpa y con una iluminación suficiente un observador podría seguir a cada máscara individualmente. Son como las moléculas dentro de una célula. Pero cambiemos de situación y pensemos que, obligatoriamente, la carpa ha de estar recubierta de un vidrio muy oscuro, el interior muy tenuemente iluminado y el observador situado externamente. El observador sería incapaz de vislumbrar nada. Esta situación es comparable a la real con las biomoléculas celulares.

Ahora bien, si una determinada máscara llevase adosada una potente linterna el observador, desde el otro lado del vidrio oscuro, podría distinguir bastante su resplandor y saber de su situación, de sus pasos, de su recorrido, etcétera. Pues bien, la Química bioortogonal pretende dotar a las moléculas objeto de estudio con un símil de esa potente linterna, es decir, con un marcador, que les permita ser reconocidas y estudiadas por los investigadores.

SONDAS. Existen buenos precedentes de este intento. Por ejemplo, el de las sondas basadas en proteínas fluorescentes verdes (PFV). La fusión de estas PFV con proteínas específicas permite la visualización de éstas últimas mediante técnicas de microscopía de fluorescencia e, incluso, su cuantificación con citometría de flujo. De este modo, se ha investigado la localización y la expresión de muchas proteínas en células y organismos. Se trata de la mejor herramienta existente para "ver" las proteínas dentro de los seres vivos. Pero no carece de limitaciones. Las PFV son de gran tamaño lo que puede ocasionar perturbaciones estructurales a las proteínas a las que se unen y alterar su expresión. Es, volviendo, al ejemplo del baile antes citado, como si para identificar a la máscara que se desea estudiar se le hubiese recubierto de un traje espacial luminoso. Efectivamente, el traje la hace visible, incluso a través del vidrio oscuro, pero dificulta y afecta a sus movimientos naturales.

Otra limitación importante es que las diversas variantes de PFV no se pueden aplicar bien a moléculas que no son proteínas o sea, a la visualización de lípidos, hidratos de carbono, ácidos nucleicos o miles de otros pequeños metabolitos orgánicos.

Una alternativa a las PFV es el uso de anticuerpos específicos que se unen a sus correspondientes antígenos. Existe la posibilidad de generar anticuerpos para prácticamente cualquier tipo de epitopo (una fracción de información química específica) lo que permitiría "visualizar" a un amplio rango de moléculas. Sin embargo, los anticuerpos son también proteínas de gran tamaño lo que significa grandes inconveniente para su unión a antígenos que se encuentren en el interior de las células, así como otras complicaciones.

Volviendo otra vez al símil del baile de máscaras. ¿Se podría diseñar una pequeña linterna de gran potencia luminosa para que sea llevada por la máscara estudiada, sin que se afecte su forma y movimientos permitiendo su adecuada visualización?.

BIOORTOGONAL. Este es el objetivo de la Química BIOORTOGONAL. Una sonda, un motivo químico único y pequeño, a veces un sencillo grupo funcional, se incorpora a la biomolécula objeto de investigación, usando la propia maquinaria biosintética celular (volviendo al símil, la sonda es como una batería aislada de linterna). Tras ello se suministra exógenamente un marcador específico químico que se une covalentemente a la sonda (en el símil el marcador haría el papel de la linterna, sin batería). En total, representa un pequeño tamaño respecto a la molécula original, por lo que no se modifica sensiblemente su estructura ni su funcionalidad, pero la hace "visible" (en el símil, la linterna conectada a la batería no afecta las posturas ni acciones de la máscara, pero su iluminación la hace visible).

Por ejemplo, se ha comprobado que para construir proteínas la maquinaria biosintética celular no es capaz de distinguir a los aminoácidos dotados de sondas bioortogonales de los aminoácidos naturales, carentes de las sondas. Entre las pequeñas sondas que, hasta ahora, se han usado, en bastantes casos con éxito, se encuentran algunas muy prometedoras: azida, terminal alquino, motivo tetracisteína, etcétera. En cuanto a los requerimientos de los marcadores es también un campo muy activo y, globalmente, estas nuevas aplicaciones de la Química bioortogonal se han realizado no sólo sobre bastantes ejemplos de proteínas sino también de otras moléculas como hidratos de carbono y lípidos. Todo permite suponer que se trata de una nueva forma de poder "visualizar" múltiples clases de biomoléculas en los sistemas vivos, incluso en los organismos completos, permitiendo seguir, en muchos casos, sus transformaciones a lo largo de los complejos procesos metabólicos.