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Buscar enzimas nuevas con un ordenador molecular

La ingeniería de proteínas podría ofrecer grandes ventajas, pero implica un proceso lento y arduo. Pequeñas máquinas moleculares podrían acelerar en gran medida la velocidad a la que se pueden encontrar variantes nuevas y mejores.

Espacio

Las enzimas son catalizadores potentes que se utilizan en una variedad de industrias, desde la biomedicina hasta la fabricación. En condiciones de laboratorio, las enzimas naturales han ayudado a lograr avances importantes, como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y CRISPR, y ofrecen un gran potencial para la química ecológica. Impulsar estos avances aún más requiere la creación de enzimas que no se encuentran en la naturaleza, que puedan realizar procesos químicos no naturales y generar una serie de funciones y productos interesantes. Sin embargo, su diseño sigue siendo un proceso arduo, limitado por la potencia de cálculo y los costes de personal. El proyecto ProFF, financiado con fondos europeos, se propone abordar estos desafíos con un nuevo sistema para la evolución dirigida de enzimas. «Existen muchas aplicaciones para las que se necesitan enzimas que no se encuentran en la naturaleza, enzimas más eficientes, más resistentes a la temperatura, etc.», explica el coordinador del proyecto Yannick Rondelez, investigador de la Escuela Superior de Física y de Química Industriales de París (ESPCI) y del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS). Rondelez, experto en programación molecular, una forma de biología sintética, adoptó un método consistente en el diseño de máquinas biológicas que pueden operar sin un huésped vivo, codificadas por pequeños tramos cortos de ADN sintético llamados oligonucleótidos. «No los creamos con fines bioquímicos, sino computacionales», dice Rondelez. Los sistemas aprovechan el hecho de que el proceso evolutivo puede actuar como un algoritmo, seleccionando resultados específicos en iteraciones repetidas, en este caso, mejoras en las enzimas.

Programación molecular

El método típico de la ingeniería de proteínas implica la creación de múltiples variantes y la comprobación de su actividad una por una. Tras seleccionar las mejores, se repite la acción, lo que da lugar a un proceso lento y laborioso. «Cuanto mayor sea la colección de variantes a procesar, mayor será la probabilidad de encontrar una buena —añade Rondelez—. Pero no es fácil ejecutar este sistema tradicionalmente a gran escala. Tratamos de despejar este escollo y permitir la manipulación de una gran cantidad de enzimas». Para lograrlo, Rondelez y sus compañeros se propusieron crear un programa molecular que conecta la actividad fenotípica de una enzima con la replicación genética. «Fabricamos una emulsión con mil millones de compartimentos de genes, en cada cual se deposita una variante y el programa molecular —explica—. Si la enzima tiene la actividad deseada, activa el programa molecular y la replicación de su propio gen». El método aprovecha varias estrategias de unión fenotipo-genotipo, ya que se debe probar el rendimiento de una enzima y, al mismo tiempo, realizar un seguimiento de la secuencia genética que la produce.

Una empresa de diagnóstico derivada

«En nuestro proyecto trabajamos mucho en enzimas donde el sustrato es el propio ADN: ligasas y demás», explica comenta Rondelez. «Debido a que nuestro programa molecular está hecho de ADN, es fácil conectar la actividad enzimática a un sistema basado en ADN. Pero es importante tener en cuenta que demostramos que el método también era posible con enzimas que actúan sobre sustratos que no son de ADN». El proyecto recibió el apoyo del Consejo Europeo de Investigación. «Gracias a este apoyo, equipamos un nuevo laboratorio y contratamos a un equipo nuevo», confiesa Rondelez, quien se mudó de Japón a Francia para dirigir el proyecto. «Fue muy arriesgado integrar muchas técnicas en las que no somos especialistas, y eso es algo que solo se puede hacer con un gran apoyo económico a largo plazo». Se publicaron o enviaron para su publicación varios artículos, y una faceta de la investigación dio lugar a la creación de una empresa de diagnóstico derivada. Rondelez dice que planea hacer que la técnica en la que su equipo ha sido pionero sea más accesible y rápida, lo que permitirá que las enzimas se optimicen en cuestión de días.

Palabras clave

ProFF, enzima, dirigida, evolución, oligonucleótidos, ADN, diagnóstico, unión, genotipo, fenotipo, replicación, actividad

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