El “big bang” de proteínas revela el truco molecular de la medicina y la bioingeniería

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La proteína ha tomado silenciosamente el control de nuestras vidas desde el comienzo de la pandemia de COVID-19. Hemos vivido del capricho de la proteína llamada “pico” del virus, que ha mutado decenas de veces para crear variantes cada vez más letales. Pero la verdad es que siempre nos han regido las proteínas. A nivel celular, son responsables de prácticamente todo.

Las proteínas son tan fundamentales que el ADN, el material genético que nos hace únicos a cada uno de nosotros, es esencialmente una larga secuencia de patrones de proteínas. Esto es cierto para los animales, las plantas, los hongos, las bacterias, las arqueas e incluso los virus. Y así como esos grupos de organismos evolucionan y cambian con el tiempo, también lo hacen las proteínas y sus componentes.

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Illinois, publicado en Informes científicos, mapea la historia evolutiva y las interrelaciones de los dominios proteicos, las subunidades de las moléculas proteicas, a lo largo de 3.800 millones de años.

“Saber cómo y por qué los dominios se combinan en las proteínas durante la evolución podría ayudar a los científicos a comprender y diseñar la actividad de las proteínas para aplicaciones médicas y de bioingeniería. Por ejemplo, estos conocimientos podrían orientar el manejo de enfermedades., Cómo hacer mejores vacunas a partir de la proteína de pico del virus COVID-19. “, dice Gustavo Caetano-Anollés, profesor del Departamento de Ciencias de los Cultivos, afiliado al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica en Illinois y autor principal del artículo.

Caetano-Anollés ha estado estudiando la evolución de las mutaciones de COVID desde las primeras etapas de la pandemia, pero esa línea de tiempo representa una fracción evanescente de lo que él y el estudiante de doctorado Fayez Aziz han realizado en su estudio actual.

Los investigadores recopilaron secuencias y estructuras de millones de secuencias de proteínas codificadas en cientos de genomas en todos los grupos taxonómicos, incluidos los organismos superiores y los microbios. No se centraron en proteínas completas, sino en dominios estructurales.

“La mayoría de las proteínas se componen de más de un dominio. Son unidades estructurales compactas, o módulos, que albergan funciones especializadas”, dice Caetano-Anollés. “Más importante aún, son las unidades de evolución”.

Después de dividir las proteínas en dominios para construir árboles evolutivos, se pusieron a trabajar en la construcción de una red para comprender cómo se desarrollaron y compartieron los dominios entre las proteínas durante miles de millones de años de evolución.

“Construimos una serie temporal de redes que describen cómo se acumulan los dominios y cómo las proteínas reorganizan sus dominios a través de la evolución. Esta es la primera vez que se estudia una red de ‘organización de dominios’ como una cronología evolutiva”, dice Fayez Aziz. “Nuestra encuesta reveló que existe una vasta red en evolución que describe cómo los dominios se combinan entre sí en las proteínas”.

Cada enlace de la red representa un momento en el que un dominio particular se ha incorporado a una proteína, normalmente para realizar una nueva función.

“Este solo hecho sugiere fuertemente que el reclutamiento de dominios es una fuerza poderosa en la naturaleza”, dice Fayez Aziz. La cronología también reveló qué dominios contribuían a funciones importantes de las proteínas. Por ejemplo, los investigadores pudieron rastrear los orígenes de los dominios responsables de la detección ambiental, así como de los metabolitos secundarios o toxinas utilizadas en las defensas bacterianas y vegetales.

El análisis mostró que los dominios comenzaron a combinarse temprano en la evolución de las proteínas, pero también hubo períodos de crecimiento explosivo de la red. Por ejemplo, los investigadores describen un “big bang” de combinaciones de dominios hace 1.500 millones de años, coincidiendo con el surgimiento de organismos multicelulares y eucariotas, organismos con núcleos unidos a membranas que incluyen a los humanos.

La existencia de big bangs biológicos no es nueva. El equipo de Caetano-Anollés informó previamente el origen masivo y temprano del metabolismo, y recientemente lo encontró nuevamente mientras monitoreaba la historia de las redes metabólicas.

El registro histórico de un Big Bang que describe el mosaico evolutivo de proteínas proporciona nuevas herramientas para comprender la composición de las proteínas.

“Esto podría ayudar a identificar, por ejemplo, por qué las variaciones estructurales y las recombinaciones genómicas ocurren a menudo en el SARS-CoV-2”, dice Caetano-Anollés.

Agrega que esta nueva comprensión de las proteínas podría ayudar a prevenir pandemias al analizar el origen de las enfermedades virales. También podría ayudar a mitigar la enfermedad al mejorar el diseño de la vacuna cuando se produzcan brotes.

El artículo, “Evolución de las redes de organización de dominios de proteínas”, se publica en Informes científicos. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

El Departamento de Ciencias de los Cultivos está ubicado en la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales de la Universidad de Illinois.

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