La Bioinformática a la ayuda de la bioquímica

Las plantas han sido fuente de materias primas y alimento para el hombre desde los primeros tiempos; la madera y el papel son ejemplo de su utilidad. Recientemente, la celulosa -que forma parte de las paredes celulares de las plantas- ha adquirido un nuevo atractivo en la industria energética debido su composición de azúcares, los cuales pueden ser fermentados a bioetanol. Sin embargo, la utilización de la celulosa (polímero de ß-glucosa) plantea retos importantes debido a que su estructura cristalina (regiones moleculares altamente ordenadas) impide el acceso a las enzimas que rompen los enlaces entre las moléculas de glucosa y liberan los monómeros de azúcar, razón por la que, a la fecha esta tecnología todavía presenta costos muy altos.

Las “expansinas”

Las expansinas son un tipo de proteínas con potencial capacidad para debilitar las paredes celulares, permitiendo una mejor actividad de las enzimas encargadas de la degradación del material celulósico, lo que mejoraría la eficiencia en la obtención de azúcares. A diferencia de muchas enzimas, las expansinas llevan a cabo su función por efectos biofísicos sobre los sustratos, por lo que ha sido difícil determinar los mecanismos moleculares detrás de su actividad usando métodos bioquímicos tradicionales. En nuestro trabajo, analizamos con bioinformática (disciplina que combina las secuencias del ADN con la computación y las tecnologías de la información para la gestión el análisis de datos biológicos) la estructura de diferentes expansinas provenientes de bacterias, la mayoría de las cuales producen, además, enzimas que descomponen a la celulosa y otros componentes de la pared celular de las plantas, debido a que algunas de ellas atacan a la planta (patógenos) o establecen una relación de ayuda mutua con la planta (simbiontes). Determinamos que las expansinas contienen aminoácidos con carga eléctrica en su superficie, y el contenido de carga permite dividirlas en expansinas “ácidas” y expansinas “básicas”. Un descubrimiento importante al analizar la distribución de carga en las estructuras estudiadas permitió identificar que existe una diferencia de potencial electrostático entre la superficie de unión a la celulosa de la expansina con el lado opuesto de la proteína (figura 1), es decir: el lado por el que la proteína se une al polisacárido (celulosa) tiene carga eléctrica negativa, mientras que el lado opuesto es menos negativo o incluso puede llegar a ser positivo (ver figuras). Esta diferencia fue encontrada en todas las estructuras, lo que sugiere que una característica tan universal debería ser relevante en el modo de acción de las expansinas.

Propuesta de un modelo de actividad

El principal aporte de nuestro trabajo es la propuesta de un modelo de actividad de las expansinas que hasta este momento ha sido difícil de elucidar experimentalmente– en el que la estructura de la celulosa (figura 2) es perturbada por efecto de la polaridad de la proteína; es decir, debido a su diferencia en carga, la expansina podría estar promoviendo la reorientación de los enlaces que mantienen a la celulosa, hacia la propia expansina, resultando en una estructura débil de la celulosa en ese punto. Esta conclusión derivada del estudio teórico que implicó el uso de diferentes programas para la fabricación de los modelos tridimensionales de las expansinas y para el cálculo de sus perfiles electrostáticos– requiere ser confirmada experimentalmente. Actualmente, nuestros esfuerzos están dirigidos a la modificación experimental del potencial electrostático de una expansina modelo. Esto se logrará al cambiar algunos aminoácidos que brindan carga eléctrica a la proteína, por aminoácidos que carecen de carga. Si la hipótesis propuesta es cierta, entonces podríamos obtener un tipo de celulosa más digerible después de ser incubada en presencia de expansinas.

Este trabajo fue publicado originalmente en el siguiente artículo científico

Pastor N., Dávila S., Pérez-Rueda E., Segovia, L.and Martínez-Anaya C. (2015) Electrostatic analysis of bacterial expansins. Proteins: Structure, Function, and Boinformatics. vol. 83(2), pags. 215-223

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