Las proteínas son los martillos y las pinzas de la vida, con roles fundamentales en la mayoría de lo que sucede en biología. Pero los biólogos aún no saben qué hacen miles de proteínas y cómo su presencia o ausencia afecta la célula.
El agujero negro intelectual se extiende a las mitocondrias, las máquinas de energía de las células, que fallan en más de 150 enfermedades, incluyendo cáncer, diabetes, Parkinson y numerosos trastornos genéticos.
Para completar los espacios en blanco en las mitocondrias, los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison eliminaron 174 genes, uno por uno, en la levadura. Luego sometieron la levadura a espectrometría de masas de alta intensidad para medir detalles sin precedentes en miles de productos metabólicos,incluyendo proteínas, químicos intermedios llamados metabolitos y lípidos.
en el último número de Biotecnología de la naturaleza , Joshua Coon, profesor de química biomolecular de la UW-Madison, y David Pagliarini, director de investigación del metabolismo del Instituto de Investigación Morgridge de la UW, informan un análisis exhaustivo del efecto de eliminar genes individuales.
El estudio tocó siete genes para producir la coenzima Q CoQ, una molécula crítica para el metabolismo de la energía mitocondrial.
El uso de múltiples tipos de datos es común en análisis complejos. Para comprender un accidente automovilístico, por ejemplo, uno podría requerir datos sobre el clima, la ingeniería automotriz y del tráfico, y el deterioro del conductor debido a distracciones o drogas.
En biología, los datos completos sobre bioquímica celular surgen cuando la especialidad de Coon, la espectrometría de masas de alta velocidad, se combina con métodos innovadores para procesar una cascada de datos, que asciende a casi dos mil gigabytes en el nuevo estudio.
Un gen modela una proteína. "Para aprender exactamente lo que hacen estos genes y proteínas", dice Coon, "observamos las células que no producen proteínas, utilizando nuevos instrumentos científicos que pueden medir compuestos con asombrosa velocidad y precisión".El estudio proporcionó un nivel de detalle que no estaba disponible incluso hace cinco años, dice Coon. "La tecnología y los enfoques mejorados para la espectrometría de masas redujeron el tiempo para analizar todas las proteínas en una muestra de levadura de cuatro horas a una hora. Estaba emocionado y fuia Dave y le dijo: 'Podemos analizar la producción de proteínas en 1,000 muestras en 1,000 horas. ¿Tienes algo grande?' "
Lo que el grupo de Pagliarini tenía era una pasión por las mitocondrias de procesamiento de energía, y especialmente las proteínas misteriosas asociadas con ella.
Los investigadores comenzaron el estudio eliminando genes que codificaban proteínas en todas las partes funcionales primarias de las mitocondrias, dice Pagliarini. "Si eliminamos, uno por uno, una amplia gama de genes de función conocida, y analizamos proteínas, metabolitos ylípidos, utilizando la tecnología que el grupo de Josh ha desarrollado, los datos proporcionan una "firma" de lo que hace cada proteína. Si luego repetimos esto en una cepa diferente a la que le falta una proteína diferente de función desconocida, podemos comparar su firma conlos demás y comenzar a descubrir qué está haciendo esa proteína "
El torrente de datos presentó "un desafío informático que tuvimos que cruzar", dice Coon. "El coautor del estudio Nicholas Kwiecien, un estudiante graduado, creó un sitio web que presenta estos datos de una manera que hace que sea más fácil de entender"
Kwiecien y el estudiante graduado de Pagliarini Jonathan Stefely, el otro co-autor principal, trabajaron como socios, dice Coon. "Jon diría 'me gustaría poder ver esto', y Nick descubriría cómo hacer esosuceden. Muchos de los clientes potenciales que seguimos fueron generados por su proceso de descubrir cómo trabajar juntos "
Algunas de las pistas más fuertes que surgieron se referían a la CoQ, que a menudo es deficiente en trastornos mitocondriales, causando cualquier cosa, desde un simple dolor muscular hasta graves problemas multisistémicos.
El grupo de Pagliarini realizó experimentos bioquímicos para dar seguimiento a la sugerencia de que una combinación de genes y proteínas era crucial para producir CoQ ". La recopilación de datos a gran escala sugirió que una cepa no pudo producir un metabolito clave necesario para CoQ, por lo que lo entregamos"metabolito y reparó experimentalmente la deficiencia de CoQ en la levadura knock-out", dice Pagliarini. "Así que pasamos de este análisis a gran escala basado en especificaciones de masa a la bioquímica, y obtuvimos toda la historia. Este será un nuevo paso enlibros de texto. Está encerrado. Ahora que entendemos mejor el camino, tal vez podamos descubrir cómo evitar esta escasez para ayudar a ciertos pacientes ".
"No podemos prometer eso", agrega Coon, "pero podemos prometer que nadie habría observado ese gen hasta que lo descubrieramos en este análisis a gran escala".
Más allá de los siete genes vinculados a la CoQ, "nuestro análisis en curso ya ha llevado a unas 20 predicciones adicionales de la función de la proteína, y cada una podría convertirse en un proyecto de tesis", dice Pagliarini. "Ahora podemos comenzar a definir la función de estas enfermedadesproteínas relacionadas con las cuales actualmente tenemos poco o ningún conocimiento "
Pagliarini agrega que, en lugar de explorar las proteínas de una en una, el estudio muestra la eficacia de observarlas por cientos.
"Este tipo de resultado es un testimonio de la sabiduría de las inversiones en tecnología de punta por parte de la universidad y el Instituto Morgridge", dice Coon. "La última tecnología puede acelerar el descubrimiento biológico. Si alguien viene a nosotros y quiere mirara una docena de cepas de levadura con este nivel de detalle, hace dos años eso hubiera tomado un mes. Ahora toma un día. La ciencia ya se está beneficiando, y creemos que los pacientes también se beneficiarán ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por David Tenenbaum. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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