¡Todo en un instante! Eliminar las proteínas de las células con un flash de luz

24.01.2020 - Alemania

Los científicos de la LMU han desarrollado una herramienta para eliminar las proteínas esenciales de las células con un flash de luz. El nuevo método permite estudiar la función de las proteínas esenciales.

Las proteínas no sólo proporcionan gran parte de la arquitectura estructural de las células, sino que también realizan la mayoría de las funciones ejecutivas al actuar como catalizadores químicos altamente específicos. Por lo tanto, están íntimamente involucrados en todos los procesos biológicos fundamentales, incluyendo el metabolismo, el crecimiento y la división celular. Por el contrario, las alteraciones en sus formas y actividad dan lugar al desarrollo de trastornos. Para entender los procesos controlados por las proteínas, es necesario comprender cómo funciona cada una de ellas. Los biólogos normalmente deducen el papel de una proteína analizando lo que sucede cuando se daña o se elimina por completo. Experimentalmente, esto se logra generalmente mutando o borrando el gen que lo codifica. Sin embargo, en el caso de las proteínas que son esenciales para la supervivencia del organismo, o de los tipos de células que se requieren para un proceso particular, este enfoque no es muy informativo, ya que tales mutantes tienden a morir antes de que pueda proporcionar información sobre la función real de la proteína. Los investigadores dirigidos por el profesor Heinrich Leonhardt en el Biocentro de LMU han desarrollado ahora una herramienta que sortea este problema. Su método utiliza luz o productos químicos específicos para desencadenar la degradación selectiva de la proteína de interés. El procedimiento, y una revisión de los resultados obtenidos hasta ahora con el mismo, son reportados en la revista Nature Communications.

"Para desarrollar esta tecnología, reprogramamos el sistema de eliminación de residuos de la célula", dice Leonhardt. Las proteínas que son defectuosas o que ya no son necesarias normalmente se designan para su eliminación mediante la unión enzimática de una molécula llamada ubiquitina a ellas. El marcador de ubiquitina se reconoce entonces por un complejo molecular llamado proteasoma, que actúa esencialmente como una trituradora de las proteínas marcadas. El sistema desarrollado por Leonhardt y sus colegas utiliza pequeños anticuerpos conocidos como nanobodies para atacar la proteína de interés. El nanocomponente trae entonces una ligasa especializada para la fijación del marcador de ubiquitina - y la proteína objetivo es consignada al proteasoma para su destrucción.

Para poder controlar si y cuando una molécula objetivo es etiquetada y degradada, los científicos han incorporado un interruptor adicional. La molécula objetivo sólo se marca cuando los científicos activan este interruptor con moléculas químicas ligeras o pequeñas. "De esta manera, podemos regular los niveles de proteínas de forma continua. Es como usar un regulador de intensidad, podemos establecer la concentración deseada de cualquier proteína dada y observar los efectos en los procesos celulares," explica Leonhardt.

Los investigadores de la LMU utilizaron por primera vez el sistema para investigar una proteína que desempeña un papel crítico en la replicación del ADN. Como es esencial para la viabilidad, no puede ser genéticamente discapacitado. "Utilizamos el nuevo método para agotar temporalmente esta proteína en las células, y pudimos dilucidar su implicación en la reparación del ADN", dice Wen Deng, autor principal del nuevo estudio. Los resultados mostraron que la proteína actúa como un andamiaje central, para cargar otras proteínas de reparación del ADN y arreglar eficientemente el daño del ADN.

Otra ventaja de la nueva herramienta es que puede ser empleada en organismos enteros. En cooperación con el grupo de investigación de la profesora Barbara Conradt, los investigadores utilizaron el sistema para estudiar la muerte celular en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans, que es un organismo modelo establecido en la biología. En ciertas etapas del desarrollo de este gusano, se elimina específicamente una de las dos células hijas producidas por divisiones celulares específicas. "Al agotar la proteína del verdugo con la ayuda del nuevo sistema, pudimos prevenir la pérdida de la correspondiente célula hija y obtener información sobre el proceso de muerte celular programada", dice Leonhardt.

Puesto que el sistema ubiquitina-proteasoma se encuentra no sólo en todos los organismos superiores, sino también en las Arcaea e incluso en algunas bacterias, el equipo asume que su enfoque para la regulación dirigida de la degradación de la proteína será ampliamente aplicable. Por lo tanto, podría contribuir de manera importante a los esfuerzos por comprender las funciones de las proteínas vitales.

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