En muchas películas animadas modernas, el truco para lograr movimientos realistas para personajes y objetos individuales radica en la tecnología de captura de movimiento. Este proceso a menudo implica que alguien use un traje de rastreo cubierto de pequeñas bolas de colores mientras una cámara captura la posición de esos coloresbolas, que luego se utilizan para representar cómo se mueve la persona.
Los investigadores de la Universidad de Pensilvania están desarrollando una tecnología similar para obtener "películas" de resolución atómica que rastrean cómo las proteínas se pliegan y cambian de forma. Para generar estas películas, los científicos etiquetan la proteína con sondas en muchas posiciones y observan el movimiento deesas etiquetas. Los datos de fluorescencia en las posiciones relativas de las sondas se pueden utilizar para construir modelos computacionales de la estructura de la proteína en detalle atómico. Esta investigación podría conducir a mejoras en los medicamentos utilizados para tratar enfermedades neurodegenerativas, así como nuevos métodos de imageneso podría conducir a su detección más temprana.
La investigación fue un esfuerzo multidisciplinario dirigido por E. James Petersson, profesor asociado de química en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn, y el estudiante graduado Jack Ferrie. Elizabeth Rhoades y Zahra Fakhraii, ambos profesores asociados de química en Penn, tambiéncomo Abhinav Nath de la Universidad de Washington, Seattle; Jimin Yoon, estudiante de pregrado de Penn; Conor Haney, investigador postdoctoral; y los estudiantes de posgrado Buyan Pan y Yi-Chih Lin también contribuyeron al estudio. El artículo fue publicado en Revista biofísica .
"Una de las grandes preguntas fundamentales en bioquímica es cómo las proteínas se pliegan en una determinada forma", dijo Petersson, "y esto está dictado por la secuencia de aminoácidos en la proteína. La información en todas las interacciones del aminoácidolas cadenas laterales de alguna manera hacen que se pliegue en una forma adecuada "
En escenarios saludables, dijo Petersson, esa forma adecuada permite que la proteína tenga diferentes funciones, como transportar oxígeno en la sangre o convertirse en "máquinas moleculares" que finalmente conducen a movimientos musculares, como los necesarios para caminar y correr.
Pero en ciertos estados de enfermedad, particularmente en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson, las proteínas se pliegan incorrectamente en una forma poco saludable, lo que puede hacer que múltiples copias de las proteínas se agreguen a "enredos tipo espagueti o fibrillas largas".Petersson dijo que son tóxicos para las neuronas, lo que subyace en la enfermedad de Alzheimer y Parkinson.
"Dado que todo esto implica el plegamiento de proteínas en una determinada forma, lo que nos gustaría hacer es realizar un seguimiento de los cambios en la forma de las proteínas", dijo. "Hay una serie de técnicas diferentes que se pueden utilizar parahacer esto, pero nos gusta la fluorescencia porque puedes adquirir datos de fluorescencia lo suficientemente rápido como para que puedas ver cómo las proteínas se pliegan en tiempo real. En última instancia, nos gustaría intentar ver cómo las proteínas se pliegan en las células ".
Para obtener información sobre la forma de la proteína usando sondas fluorescentes, los investigadores usan una técnica llamada transferencia de energía de resonancia de fluorescencia, que requiere que midan muchas distancias entre diferentes puntos de la proteína y luego usen esa información para comprender su forma, similar a la captura de movimientotecnología.
En este documento, los investigadores realizaron alrededor de 30 mediciones de diferentes distancias dentro de la proteína alfa-sinucleína en diferentes estados donde está cambiando de forma. Luego usaron esa colección de mediciones de distancia en combinación con modelos computacionales complejos para obtener estructuras de resolución atómica delforma de la proteína.
Ferrie recibió una beca de la Fundación de la Enfermedad de Parkinson para pasar el verano en el laboratorio de David Baker en la Universidad de Washington, donde se desarrolló Rosetta, uno de los programas más utilizados para modelar proteínas.
"Rosetta está diseñada para modelar proteínas estables bien plegadas", dijo Petersson, "no proteínas desordenadas que pueden cambiar de forma, por lo que Jack tuvo que reescribir mucho el código para poder modelar estas proteínas rebeldes".
Ferrie y Yoon realizaron una serie de mediciones experimentales que podrían usarse para dirigir el plegamiento de proteínas para que sea consistente con las mediciones experimentales, lo que le permitió modelar la forma de la proteína.
Como era un enfoque nuevo, los investigadores querían demostrar que las estructuras que salían de los modelos computacionales eran consistentes con la realidad. Para hacer esto, llevaron a cabo tres tipos de experimentos para unir datos reales con los modelos que salen deestos experimentos de fluorescencia.
Colaboraron con el grupo de Rhoades para validar las estructuras modeladas utilizando mediciones de fluorescencia de molécula única realizadas por Pan. Trabajando en el grupo de Fakhraii, Lin, utilizó un tipo diferente de técnica llamada microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes de la proteína y validar los modelos. Chris Dobson, profesor de química en la Universidad de Cambridge, compartió datos de resonancia magnética nuclear sobre alfa-sinucleína que proporcionaron una confirmación adicional de la precisión de los modelos de computadora.
El documento representa una de las bibliotecas más grandes de proteínas etiquetadas con fluoróforos sintéticos hasta ahora reportados. Según Petersson, los investigadores necesitaban realizar muchas mediciones de distancia en diferentes regiones de la proteína para tener suficientes datos para generar modelos computacionales. Ferrie yHaney tuvo que idear un enfoque simplificado para conectar diferentes conjuntos de sondas que funcionarían en diferentes rangos de distancia.
Los investigadores ahora están trabajando para aplicar esta técnica para modelar la estructura de la proteína en las formas agregadas que son tóxicas para las neuronas y para modelar su respuesta a los medicamentos que podrían hacer que cambie de forma, evitando esta agregación.
"La capacidad de observar una proteína a medida que cambia de forma", dijo Petersson, "y sacar estructuras de eso es un objetivo de ciencia básica realmente importante en el que hemos estado trabajando durante 10 años. Ha habido algunosavances impresionantes en la obtención de estructuras de proteínas en enfermedades neurodegenerativas, pero la técnica de fluorescencia tiene el potencial de hacerlo en las células vivas, lo que ninguna otra técnica tiene la capacidad de hacer ".
Según Petersson, las proteínas que adoptan múltiples formas, apilan diferentes copias unas sobre otras y se agregan, como lo hacen en las enfermedades neurodegenerativas, son un importante problema básico de bioquímica que otras técnicas de biología estructural no pueden abordar realmente. Una mejor comprensión de cómo esofunciona y cuáles son esas formas tiene el potencial de tener un impacto en enfermedades como el Parkinson y dar a los investigadores la oportunidad de descubrir cómo interactúan los medicamentos o los modelos de diagnóstico con la proteína.
"Estamos trabajando para poder generar estructuras modelo que realmente muestren cuál es el efecto de estos medicamentos", dijo Petersson. "Tomamos la proteína con las etiquetas fluorescentes, agregamos el medicamento, permitimos que la proteína cambie de forma,hacer mediciones de fluorescencia y luego llevarlas de vuelta al modelado computacional para que podamos ver el efecto estructural de estos medicamentos. Esperemos que esto conduzca a una comprensión más racional para que se puedan hacer mejores medicamentos de segunda y tercera generación ".
Los investigadores también están colaborando con Robert Mach, el Profesor Britton Chance de Radiología en la Facultad de Medicina Perelman de Penn. El grupo de Mach está interesado en desarrollar sondas de imágenes de tomografía por emisión de positrones que se puedan utilizar para unirse a las formas agregadas de proteínas e imágenes de ellas.en pacientes
"Hay algunos medicamentos prometedores para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson, que podrían bloquear esta formación de agregados", dijo Petersson, "pero el problema es que, cuando las personas muestran síntomas cognitivos o de temblor motor, esdemasiado tarde para usar estos medicamentos porque ya hay demasiada neurodegeneración. Si está acumulando agregados en su cerebro, incluso si no está mostrando ningún cambio de comportamiento o déficit de aprendizaje, estas sondas podrían representar de manera no invasiva los agregados. Al lograr una comprensión racionalde cuál es la estructura de la proteína, esperamos poder ayudar con ese trabajo en el futuro "
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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