Proteómica de levadura: remodelando el suelo de la levadura Understand article

Traducido por Monica Gonzalez. Russ Hodge del Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg, Alemania, informa sobre la primera búsqueda completa de máquinas moleculares en levadura.

En 1901 Franz Hofmeister comparó la célula a una factoría capaz de obtener elementos básicos para transformarlos en lo nutrientes que necesita. No sólo eso. Hofmeister sugirió que las distintas transformaciones ocurrían en compartimentos subcelulares que habían sido visualizados al microscopio.

El símil de la factoría celular se ha mantenido a lo largo de un siglo de investigaciones sobre las funciones de las biomoléculas. Según esta visión las proteínas eran “operarios” y los procesos químicos ‘cadenas de montaje’. No obstante, a diferencia de lo que sucede en una fábrica de coches donde los modelos sólo se sustituyen cuando se diseñan otros más modernos, la célula está continuamente remodelándose. Por ejemplo, una proteína puede ensamblarse en un complejo proteico y después desensamblarse para realizar otra función. En las células, por tanto, la organización debe ser muy flexible. Un artículo recientemente publicado en la prestigiosa revista científica Nature (Gavin et al., 2006) presenta un estudio que explica el alcance de esta flexibilidad.

En el pasado los investigadores  tenían una visión muy limitada de la factoría celular y de sus componentes. “Era como entrar en una fábrica y encontrar las piezas de las máquinas tiradas por el suelo” explica Anne-Claude Gavin, investigadora en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg, Alemania. “Habíamos aprendido algo sobre lo que pasa en la factoría, como  funcionan las máquinas pero no teníamos una idea del conjunto”.

Los investigadores habían comenzado a reconstruir las factorías de las células de levadura con piezas sencillas utilizando el método de “two-hybrid screen” . Con este método las proteínas se desmontan en unidades, como se desmontarían las piezas del coche, y a continuación se vuelven a ensamblar pieza a pieza. Con este método se han conseguido buenos resultados pero también algunos errores. Podría ser físicamente posible montar un volante sobre un tubo de escape, pero eso probablemente no funcionaría. Imaginemos ahora que tenemos que volver a montar 6500 partes– este es el número de proteínas de la levadura. Con el método del  “two-hybrid screen” tendríamos pocas posibilidades de ensamblar todo el conjunto de nuevo con éxito.

Una alternativa sería partir del coche completo (complejos de proteínas) y estudiar las partes que lo componen. Pero extraer los complejos de proteínas enteros de una célula no es fácil porque los métodos de extracción los rompen. Para sortear este obstáculo Bertrand Séraphin del  EMBL inventó un proceso denominado purificación por afinidad (TAP) que permite recuperar complejos intactos. Los componentes de estos complejos pueden ser después analizados por espectrofotometría de masas – un método que disocia los componentes de las proteínas y estima su masa. Como cada proteína tiene una composición única, la espectrofotometría de masa da a los científicos medidas que pueden ser comparadas en el ordenador con el perfil de una proteína determinada. La compañía Cellzone en colaboración con científicos del EMBL en Heidelberg decidió estudiar el genoma completo de la levadura usando este método. Después de cientos de experimentos se ha podido obtener un escaneado integral de los genes de una célula eucariótica y de las máquinas moleculares.

El estudio reveló la existencia de 491 complejos, de los cuales 257 son nuevos. En cualquier caso, casi en la mayoría de todos ellos se han encontrado nuevos componentes.¿Es la lista exhaustiva? “Se estima que hay sobre unos 300 más” , afirma Anne-Claude. “Algunos complejos pueden aparecer solamente cuando se usan ciertas condiciones de crecimiento para las levaduras; y otros, no pueden ser descubiertos con este método de extracción”. Por ejemplo, ha resultado muy difícil purificar complejos adheridos a la membrana celular. Los investigadores adaptaron el método para hacerlo y encontraron 74 nuevos complejos conteniendo proteínas de  membrana; no obstante, Anne-Claude está segura de que existen más.

Una lista parcial es solo el principio: los científicos también quieren saber dónde están situados estos complejos, qué hacen y cómo funcionan. Algunas veces estas cuestiones sólo pueden ser contestadas en el caso de componentes individuales. Un complejo con tres proteínas que responde al calor puede jugar indudablemente un papel para ayudar al organismo a adaptarse a los cambios de temperatura. Otros complejos participan en la unión a ADN, o en el “refinamiento” de otras moléculas.

La información ha proporcionado también nuevos detalles sobre cómo la célula forma esos complejos, una información muy reveladora para entender la biología de la levadura y de otros organismos. “¿Existe un pre-ensamblado de las máquina o se construyen desde el principio?”, se pregunta Anne-Claude. “En otras palabras, cómo son se organizan las máquinas y la “factoría” en su conjunto? No lo sabíamos, pero ahora podemos decir mucho sobre esto. Para eso, tuvimos que encontrar nuevas maneras de comprender los datos”.

Los atlas de carretera a veces ofrecen mapas que indicando el número de kilómetros entre ciudades. Por ejemplo, 1150 kilómetros separan Roma y Heidelberg; de Heidelberg a Cambridge hay 2045 kilómetros (contando el trayecto por ferry).  Con ese mapa y un poco de información podemos organizar las ciudades en regiones, estados y países. “ Para comprender la dinámica de los complejos de proteínas, dice Patrick Aloy, los científicos querrían tener un mapa semejante de moléculas”.

Patrick fue miembro del grupo de Rob Russell en el EMBL, donde aplican técnicas computacionales para entender la dinámica de los complejos de proteínas. Combinando información sobre las formas y las funciones de las proteínas con datos sobre cómo se unen a otras los investigadores empiezan a dibujar diagramas técnicos de las máquinas. Por el momento sólo se dispone de conocimiento fragmentado que ha restringido el alcance de esos esfuerzos.

“Imagina sustituir un mapa de distancias con una tabla que te dice sólo sí o no ¿Podrías ir desde aquí a allí?”, dice Patrick . “A partir de esa información no serías capaz de trazar un mapa significativo, pero ese tipo de estudio es lo que tenemos hasta el momento. Bien, ahora, hemos producido algo más que un mapa de distancias – cada par de proteínas tiene un valor que da la probabilidad con la que podemos encontrarlas juntas en las purificaciones”.

Esa información ha sido ahora convertida en un mapa de suelo de la factoría, complete, con máquinas acabadas e inacabadas, piezas prefabricadas, y módulos. “Lo que descubres es que la mayoría de los complejos tienen un núcleo de componentes que casi siempre se encuentran juntos y otros que van y vienen,” dice Rob. “Puedes pensar que los núcleos son fundamentales, que son las partes prefabricadas de las máquinas que se tienen a mano, y que los módulos temporales se añaden cuando aparece la necesidad”.

La función de tales módulos,  dice Anne-Claude, podría ser modificar el trabajo del núcleo de la máquina, para ponerlo en relación con otras cosas que suceden en la factoría, como el apagado o el encendido. “Esto tiene varios efectos importantes. Primero, ofrece a la célula el modo de realizar numerosas tareas con un número limitado de máquinas básicas. Esto da bastante flexibilidad. En segundo lugar, esto significa que en una emergencia,  la célula no tiene que construir todas las máquinas que necesita desde el principio. Sólo puede producir algunas partes esenciales. Por otro lado, puede resultar relativamente sencillo para la célula controlar una máquina sofisticada,  proporcionando o bloqueando la distribución de una pieza crítica”.

Se puede ver  una conexión relevante con la evolución, porque, generalmente, algunos tipos de máquinas y sus componentes básicos han sido conservados durante cientos de años a medida que aparecían las nuevas especies. El grupo de Peer en el EMBL ha contribuido a investigar esta cuestión.

“Si comparas lo que sucede en una levadura y en tus propias células, puedes encontrar algunas de las mismas máquinas, usando los mismos componentes básicos para hacer las mismas cosas”, dice  Peer. “Los complejos reflejan cómo trabaja la evolución– como variaciones del tema.  No encuentras cada especie inventando una nueva manera de hacer las cosas; en vez de eso, refinan los componentes de los que están hechos, añadiendo módulos especializados o cambiando ligeramente la manera de regulación del conjunto.”

El estudio aporta mucha información sobre las máquinas individualmente y cómo trabajan juntas. Queda todavía mucho por aprender sobre cómo funcionan en las células- donde se localizan, cuántas copias hay de cada máquina trabajando al mismo tiempo. La información estructural sobre los complejos ayuda a contestar algunas de estas cuestiones, porque da a los científicos una idea del aspecto general del complejo, que puede ser incluso visualizado al microscopio “Incluso con la microscopía electrónica, los complejos de proteína son puntos enmarañados que son difíciles o imposibles de identificar”, dice  Anne-Claude. “Pero con buena información, seremos capaces de poner nombres a algunas de las formas”.

La salud es un reflejo del funcionamiento de la célula en el contexto del organismo. El nivel de máquinas moleculares es crucial para mantener el equilibrio. Lo que los científicos han conseguido es cambiar lo que pensamos ahora sobre cómo las máquinas individuales trabajan y se regulan, y cómo funcionan juntas. En las investigaciones será decisivo averiguar cómo transitan los organismos desde la enfermedad a la salud.

References

• Gavin AC et al. (2006) Proteome survey reveals modularity of the yeast cell machinery. Nature 440: 631-636. doi:10.1038/nature04532.
  • Descarga el artículo gratuitamente aqui, o suscríbete a Nature today: www.nature.com/subscribe
• Este artículo aparece en el informe anual del Laboratorio Europeo de Biología Molecular, una colección de  artículos sobre temas de actualidad científica. El resto del informe está disponible aqui.

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En el campo de las ciencias de la vida, la palabra “proteoma” se ha hecho muy popular, como otras palabras terminadas en “-oma”, pero no es frecuente encontrar una explicación tan clara como la que ofrece este artículo.

Al comenzar con la metáfora de la célula como factoría, Russ Hodge lleva al lector a la compleja maquinaria proteica usando un estilo cautivador, con ejemplos vívidos de la vida cotidiana.

Otra característica “que engancha” del artículo es la descripción de los métodos y de las estrategias usadas por los investigadores para analizar la estructura, función y evolución de los pequeños complejos de proteínas.

Recomiendo este artículo a profesores y estudiantes de secundaria en el curriculum de bioquímica y/o biología celular. De hecho, puede ser usado en el aula para investigación autónoma.

Finalmente subrayaría que este artículo, en lugar de un estilo simple y amistoso, ofrece una visión sintética y clara de un tema complejo: constituye un ejemplo excelente de cómo la ciencia de alto nivel puede divulgarse, sobre todo ahora para fomentar las vocaciones científicas.

Giulia Realdon, Italia

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