domingo, 7 de octubre de 2018

PREMIO NOBEL DE QUÍMICA 2018: EVOLUCIÓN DIRIGIDA DE ENZIMAS Y ANTICUERPOS (I)


Esta misma semana se ha conocido el nombre del ganador del Premio Nobel de Química 2018… y no, no ha sido La La Land. En este caso los ganadores han sido tres (el máximo de personas que pueden compartir un Premio Nobel): la norteamericana Frances H. Arnold, por la evolución dirigida de enzimas, y el norteamericano George P. Smith y el británico Gregory P. Winter por la presentación en fagos de péptidos y anticuerpos. Pero, ¿en qué consisten estas dos tecnologías y qué suponen para el avance de la ciencia? En este post me centraré en explicar la primera mitad del premio, dejando la otra mitad para el post siguiente y ahorrándoos un tocho interesante.

Frances Arnold es una ingeniera química que estudió en Princeton y en Berkeley, donde se doctoró en 1985. Un año después, empezó a trabajar en el California Institute of Technology (Caltech), y en 1993 se convirtió en la primera persona en realizar evolución dirigida de enzimas. Con su reciente galardón por ser pionera en este campo, se convierte en la quinta mujer en ganar el Nobel de Química, tras Marie Curie, Irène Joliot-Curie, Dorothy Crowfoot Hodgkin y Ada E. Yonath.



Como ya os he contado en entradas anteriores, las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, es decir, favorecen una determinada reacción química, convirtiendo el sustrato que se les administra en un producto.

Tradicionalmente, la catálisis química ha sido el motor de la industria que ha permitido la síntesis de gran variedad de compuestos, desde fármacos hasta biocombustibles. Sin embargo, los procesos mediados por catalizadores químicos suelen consistir en un elevado número de pasos y no siempre son fáciles de llevar a cabo, especialmente cuando requieren selectividad. Con el descubrimiento de la gran variedad de enzimas que existen en la naturaleza y la gran variedad de procesos que catalizan de forma muy selectiva, entra en juego la biocatálisis, que permite a la industria acelerar muchos de estos procesos, aumentar la sostenibilidad, reciclar los catalizadores y reducir los costes de producción.



Pero la naturaleza nunca es suficiente, y algunas enzimas naturales no tienen unas propiedades óptimas para la producción a gran escala: actividad limitada, inhibición, inestabilidad térmica o mecánica, insolubilidad en determinados medios… Y aquí es donde entra en juego la evolución dirigida.

La evolución dirigida se inspira directamente en la evolución darwiniana de las especies. Para que las especies evolucionen es necesario que el ADN varíe entre los miembros de dicha especie y sufra cambios, que pueden producirse a través de mutaciones o a través de la recombinación genética que tiene lugar durante la reproducción cuando los cromosomas parentales se entrecruzan para dar un hijo que tiene mezcla de ambos. Algunos de estos cambios que se producen dan individuos más aptos para sobrevivir y reproducirse en el entorno que se encuentran, mientras que otros cambios son inocuos y otros son perjudiciales. Son los primeros, los más aptos, los que se van a perpetuar y transmitir a la descendencia, pasándose a ciclos evolutivos posteriores. Es lo que se conoce como selección natural.

Con la evolución de los organismos y la adaptación de estos a un determinado entorno, las enzimas que estos contienen también evolucionan a lo largo del tiempo. Sin embargo, tanto el entorno como el tiempo son factores clave, ya que la presión evolutiva se ejerce en direcciones distintas dependiendo del entorno (y lo que le hace falta a una especie para sobrevivir en este) y a lo largo de periodos de tiempo muy extensos. 



Hay que tener en cuenta que queremos utilizar estas enzimas para procesos industriales en unas condiciones determinadas distintas a las naturales. Por eso, la naturaleza nunca ejercerá una presión evolutiva sobre los microorganismos para que produzcan enzimas con las propiedades que nosotros queremos, o no lo hará de una forma lo suficientemente rápida. 

Por poner un símil, en un entorno salvaje, raramente se ejercerá una presión que dirija la evolución de un lobo a un carlino. Sin embargo, los carlinos existen gracias a que el ser humano, por alguna extraña razón, consideró que partiendo de un lobo era una buena idea cruzar durante generaciones a los individuos a los que les resultara cada vez más difícil respirar (aunque les perdonamos, porque la verdad es que son muy graciosos).



Al igual que con los perros, nosotros podemos ejercer dicha presión sobre las enzimas y acelerar el proceso evolutivo, y esto es exactamente en lo que consiste la evolución dirigida. ¿Y cómo lo hacemos?

Basándonos en los fenómenos que tienen lugar en la evolución darwiniana y reproduciéndolos en el laboratorio con técnicas de biología molecular:

·     La mutagénesis aleatoria, en la que se parte del gen que codifica la enzima natural y se introducen mutaciones al azar (por PCR propensa a error).
·     El barajado de ADN (o DNA shuffling), en el que se parte de dos genes parentales que se recombinan para que el gen resultante sea una mezcla de ambos.

En ambos casos se introduce el gen obtenido en un vector de expresión, que a su vez será introducido en un microorganismo que se encargará de producir la enzima que codifica el gen que se le ha introducido. Realizando este proceso a gran escala con muchas variantes de enzimas, se realiza un cribado midiendo la actividad de todas ellas y se selecciona a las variantes más activas, que serán utilizadas como punto de partida para el siguiente ciclo de evolución dirigida, con el fin de mejorar aún más sus propiedades en las siguientes generaciones, sustituyendo así la selección natural por una selección artificial.


El problema de la evolución dirigida es que el punto de partida es prácticamente ciego. Al jugar con el azar, es fácil que se necesite producir una enorme cantidad de variantes de enzimas hasta dar con una que tenga las características deseadas. Y esto se traduce en cantidades difícilmente manejables y costes económicos importantes.

Pero no todo está perdido, se puede intentar que el punto de partida de la evolución dirigida no sea completamente ciego. Para ello, hay que tratar de entender cómo las posiciones en las que se producen las mutaciones influyen en la estructura y por lo tanto en la función de las enzimas. En esto se basa el diseño racional de enzimas (y la tesis doctoral de un servidor), que utiliza simulaciones computacionales para predecir la estabilidad de una enzima en unas determinadas condiciones. Complementario a la evolución dirigida, el diseño racional permite acotar las variables enzimáticas a las más prometedoras, descartando las más inestables.



Y hasta aquí la primera mitad del Nobel de este año. Básicamente se puede resumir diciendo que Frances Arnold ha conseguido darle una vuelta de tuerca a la naturaleza y ampliar las fronteras de la biotecnología. Prometo que no dejaré ninguneados a los otros dos señores.