El proceso de la evolución acelerada al servicio de la química

La Academia de Ciencias de Suecia otorgó el Premio Nobel de Química 2018, en dos partes, a la investigadora Frances H. Arnold y a George P. Smith junto con Gregory P. Winter, por su trabajo en la evolución dirigida de enzimas y la presentación en fagos de péptidos y anticuerpos, respectivamente.  

H. Arnold, investigadora del Instituto de Tecnología de California, fue reconocida por el desarrollo de la “evolución acelerada” de enzimas en tubos de ensayo; en 1993 publicó el primer ejemplo del mejoramiento de la actividad de una enzima por evolución dirigida.

En el proceso de evolución natural, el ADN que codifica para las proteínas o enzimas puede sufrir mutaciones de una generación a otra; cuando una de ellas resulta en una mejor enzima o no causa daño alguno, se conserva; después de varias generaciones, con muchas mutaciones conservadas, se puede llegar a una enzima más eficiente, o que esté adaptada al nuevo entorno de la especie.

Este proceso tarda muchos años, pero Francis H. Arnold ideó un sistema en el que se pueden generar muchas mutaciones aleatorias en el gen que codifica para una proteína o enzima de interés; luego se puede hacer un muestreo para evaluar si las enzimas mutadas tienen mejor actividad.

Después, se seleccionan aquellas enzimas con la mejor actividad y se repite el proceso hasta llegar a una que puede ser hasta mil veces más eficiente que la original; el proceso de evolución dirigida, es también un proceso de evolución “acelerada”, que ayuda a encontrar enzimas más eficientes, o incluso, enzimas con una nueva función.

A decir de Liliana Quintanar Vera, investigadora del Departamento de Química del Cinvestav, distinguir con el premio a estos científicos es muy acertado porque han logrado poner al servicio de la química el proceso de evolución.

“Han aplicado los conceptos de evolución para hacer una ‘evolución acelerada’ en el tubo de ensayo, de tal forma que puedan optimizar y mejorar a proteínas y péptidos (proteínas pequeñas), ya sea en su función enzimática (su capacidad para acelerar reacciones químicas) o como anticuerpos”, explicó.

Las proteínas son fundamentales para la vida, son componentes principales de la célula, y las enzimas catalizan reacciones químicas esenciales para el metabolismo de la célula. Existen muchas enzimas que catalizan la conversión de una gran diversidad de sustratos, así que las aplicaciones de la evolución dirigida para optimizar la eficiencia de una enzima son tan diversas como la reactividad química de las enzimas mismas.

“Las aplicaciones de esta ‘evolución acelerada’ son inmensas, porque permite optimizar la función de una proteína e incluyen la producción de reactivos químicos, fármacos y biocombustibles, usando enzimas más eficientes que reducen el uso de catalizadores, solventes y sustancias tóxicas”, sostuvo Liliana Quintanar.

En el caso de George P. Smith y Gregory P. Winter, investigadores de las universidades de Missouri y Cambridge, respectivamente, se reconoció el desarrollo de la tecnología llamada phage display o “decoración” de fagos. Un bacteriófago es un virus que puede infectar a una bacteria. Los bacteriófagos tienen una estructura muy particular y usan proteínas que se autoensamblan para formar la cápside (capa) del virus; cuando un bacteriófago infecta a una bacteria, transfiere el ADN empaquetado en su cápside y usa la maquinaria de la bacteria para producir más bacteriófagos y replicarse.

“George Smith demostró que se podían diseñar y producir bacteriófagos ‘decorados’ con proteínas o péptidos diferentes; haciendo variaciones en la secuencia que codifica para las proteínas que “decoran” la cápside del bacteriófago, se pueden producir preparaciones de bacteriófagos con una gran diversidad de proteínas”, expuso Quintanar Vera.

Entonces se puede seleccionar entre ellos a los bacteriófagos que se pegan a un anticuerpo o proteína que interese unir. Usando esta tecnología para decorar bacteriófagos con proteínas o péptidos de secuencias diferentes, Gregory Winter optimizó anticuerpos con una alta especificidad para un antígeno dado y se logró producir fármacos biotecnológicos aprobados para su uso clínico.

Cabe mencionar que en el país hay grupos de investigación que hacen evolución dirigida de proteínas y enzimas; de hecho están organizados en la Red Temática de Estructura, Función y Evolución de Proteínas”, aseguró Liliana Quintanar Vera, coordinadora de dicha Red.