Las proteínas duraderas hacen posible la vida en las profundas profundidades del océano y pueden haber evolucionado en la vida debajo de la superficie de los exoplanetas oceánicos unidos al hielo. Estas proteínas permanecen plegadas, lo que les permite realizar su función, bajo inmensas presionesPero otras proteínas se desarrollan bajo presión, haciéndolas inoperables. ¿Cuál es la diferencia entre ellas?
Por un lado, volumen. Ahora, la investigación publicada esta semana en Comunicaciones de la naturaleza hace posible predecir cómo cambiará el volumen de una proteína dada entre el estado plegado y desplegado. Los cálculos predicen con precisión cómo reaccionará una proteína al aumento de la presión, arrojar luz sobre el funcionamiento interno de la vida en las profundidades del océano, y puedetambién ofrecen ideas sobre la vida extraterrestre.
"Estamos encontrando planetas con océano que, aunque fríos en la superficie, probablemente sean cálidos en el fondo. Entonces, ¿cómo sería la vida en ese espacio?", Dijo George Makhatadze, profesor de biocomputación y bioinformática de la constelación y miembro deel Centro de Biotecnología y Estudios Interdisciplinarios del Instituto Politécnico Rensselaer. "Con esta capacidad computacional, podemos observar el proteoma de los organismos barofílicos en la Tierra y preguntarnos: ¿cómo se adaptan sus proteínas?"
Los científicos saben desde hace tiempo que una proteína se desplegará bajo mayor presión si su estado desplegado tiene un volumen más bajo, y permanecerá plegada si el estado desplegado tiene un volumen más alto. Pero, mientras que los científicos midieron experimentalmente un rango de -4% a +1% de cambio en el volumen a medida que las proteínas sumergidas en el agua se mueven del estado plegado al desplegado, el cálculo predictivo para que coincida con esas mediciones ha sido más difícil de lograr.
La paradoja del volumen de proteínas se remonta a las primeras estructuras de rayos X de las proteínas, cuando las imágenes mostraron que el 30 por ciento del volumen de una proteína se compone de huecos y cavidades dentro de los átomos de la estructura imperfectamente empaquetados. Los investigadores asumieron que las proteínas perderíanalrededor del 30 por ciento de su volumen cuando se desplegó, y se preguntó por la disparidad entre esa cifra y las mediciones experimentales.
Buscando resolver la diferencia, los investigadores plantearon la hipótesis de que las proteínas desplegadas estaban interactuando con el agua en la que estaban inmersas, ganando volumen, y propusieron un "método de transferencia" para calcular ese efecto. Su método probó el cambio de volumen de varios "modelos"moléculas que se encuentran comúnmente en las proteínas cuando se mueven de un solvente no acuoso al agua. Sin embargo, el método produjo una pequeña disminución en el volumen, agravando la disparidad con las mediciones.
El grupo de Makhatadze encontró varias suposiciones erróneas en los dos postulados de la paradoja. Aunque los átomos de una proteína desplegada están menos densamente empaquetados que una plegada, la forma compleja retiene algunos huecos y cavidades, por lo que una disminución del volumen del 30 por ciento no es realistaAdemás, el método de transferencia comienza por error porque el solvente no acuoso crea un tampón para aumentar el volumen que desaparece cuando los compuestos se sumergen en agua. El grupo de investigación escribió un programa de computadora para calcular con precisión el volumen de la proteína desplegada, un avance publicadopor separado en una edición de 2015 de BMC Bioinformatics, y encontró una disminución del 7 por ciento en el volumen basado en huecos y cavidades perdidas. Cambiar a un método de transferencia que mueve los compuestos de una fase gaseosa al agua produjo un ligero aumento en el volumen.
"Entonces, estos dos factores: el volumen cambia cuando los vacíos y las cavidades se eliminan mediante el despliegue, y el volumen cambia a medida que la proteína desplegada se expone al agua, se cancelan mutuamente de una manera muy compleja".
Luego, el grupo de Makhatadze fue un paso más allá, encontrando una propiedad común en el cambio de volumen de 140 moléculas: cuando un compuesto modelo se sumerge en agua, solo ciertas áreas de la molécula aumentan de volumen, es decir, aquellas áreas que no son polares,o no interactúa con el agua. Con esa información, el grupo calculó el cambio porcentual en el volumen de más de 200 proteínas y coincide con el rango observado de -4% a + 1%.
"No solo alcanzamos el rango experimental, también podemos predecir cuantitativamente los cambios de volumen para una proteína determinada"
"El determinante molecular de los efectos de la presión hidrostática sobre la estabilidad del plegamiento de proteínas" se publicó en la edición de febrero de Comunicaciones de la naturaleza . Calvin R. Chen, un estudiante graduado en ciencias biológicas, se unió a Makhatadze en la investigación, que fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Química y Procesos de la Vida, y utilizó los recursos del Centro Rensselaer para Innovaciones Computacionales y Ciencia Extrema yEngineering Discovery Environment XSEDE.
La investigación de Makhatadze está habilitada por la visión de The New Polytechnic, un paradigma emergente para la educación superior que reconoce que los desafíos y oportunidades globales son tan grandes que ni siquiera la persona más talentosa que trabaja sola. Rensselaer sirve como una encrucijada paracolaboración, trabajando con socios en todas las disciplinas, sectores y regiones geográficas, para abordar desafíos globales complejos, utilizando las herramientas y tecnologías más avanzadas, muchas de las cuales se desarrollan en Rensselaer. La investigación en Rensselaer aborda algunos de los desafíos tecnológicos más apremiantes del mundo- desde la seguridad energética y el desarrollo sostenible hasta la biotecnología y la salud humana. El Nuevo Politécnico es transformador en el impacto global de la investigación, en su pedagogía innovadora y en la vida de los estudiantes de Rensselaer.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Politécnico Rensselaer RPI . Original escrito por Mary L. Martialay. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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