Regulación bioquímica de la mecánica de proteínas y el centenario de la IUPAC

Artículo publicado en octubre de 2019

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2019.10.1

Jorge Alegre-Cebollada

CNIC, Madrid

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La IUPAC ha designado a Jorge Alegre-Cebollada (CNIC, Madrid) como el elemento Arsénico dentro de la tabla periódica de químicos jóvenes con la que conmemora su centenario. La investigación que desarrolla Jorge contribuye a entender cómo reacciones bioquímicas oxidativas regulan la nanomecánica de proteínas, en particular, de la proteína gigante titina.

Hace unos meses recibí la noticia de que la IUPAC (la Unión Internacional para la Química Pura y Aplicada) me había seleccionado para representar al arsénico en la tabla periódica de químicos jóvenes (Figura 1a). La IUPAC es la autoridad mundial que define la nomenclatura de los compuestos químicos y estandariza metodologías y datos que luego son empleados por la comunidad química a nivel mundial, como los pesos atómicos de los elementos. La IUPAC se fundó en 1919 y, por tanto, está celebrando su centenario. Entre las distintas actividades organizadas para conmemorar la onomástica, se pensó en premiar a 118 jóvenes químicos con la representación de cada uno de los elementos de la tabla periódica. Se pretendía que la tabla periódica ejemplificara la variedad de disciplinas, carreras y vocaciones que aglutina la química. En la web de la IUPAC, se puede comprobar que el resultado es exactamente lo que se pretendía, y animo al lector curioso a que explore la diversidad de perfiles entre los premiados.

La distinción me ilusionó mucho. ¿Por qué la IUPAC se fijó en mí? En primer lugar, porque mi mentor Álvaro Martínez del Pozo de la Universidad Complutense decidió presentar mi candidatura (¡qué importantes son los mentores!). Pero también pienso que esta distinción viene a recordarnos algo que, de tan obvio, a veces se nos olvida: la bioquímica es una rama de la química.

Esa obviedad se refleja particularmente en mi carrera científica. He tenido la fortuna de participar activamente en los primeros estudios que permitieron empezar a entender cómo señales bioquímicas modulan el comportamiento nanomecánico de proteínas. En 2006, se demostró la detección de la ruptura de un puente disulfuro individual en una proteína en tiempo real, mediante el uso de la microscopía de fuerza atómica (AFM)1 (Figura 1b). En estos experimentos, los dominios de proteína que contienen puentes disulfuro crípticos se despliegan por la acción de una fuerza mecánica. El desplegamiento mecánico induce la exposición de puentes disulfuro hacia la solución. Por tanto, los puentes disulfuro pueden ahora ser atacados por agentes reductores presentes en la misma. Una variación sobre este ensayo permitió estudiar cómo las enzimas encargadas de formar puentes disulfuro saben qué cisteínas unir en una proteína. La respuesta es sencilla: no lo saben, simplemente dejan que la proteína en cuestión lo decida en el proceso de plegamiento2. Más allá del estudio de la reacción de reducción de puentes disulfuro bajo fuerza, esos estudios pioneros usando AFM permitieron abordar cómo modificaciones postraduccionales de tipo rédox regulan la mecánica de proteínas. Pensemos en el clásico ejemplo de la vulcanización del caucho, en la que el entrecruzamiento por puentes disulfuro permite su rigidificación. Encontramos que la titina, la proteína responsable de la rigidez de las fibras musculares, contiene múltiples cisteínas cuya modificación oxidativa resulta en cambios sustanciales en sus propiedades mecánicas3. Por ejemplo, la S-glutationilación de cisteínas de titina ablanda la proteína, de una manera reversible4. Alternativamente, muchos dominios de titina tienen la capacidad de formar varios puentes disulfuro a través de cisteínas próximas en la estructura de la proteína. Estos puentes disulfuro pueden además isomerizar bajo fuerza, lo que otorga a la proteína una dinámica particular5. Muy recientemente se ha descrito que los puentes disulfuro permiten también que los dominios de titina replieguen a velocidades y fuerzas muy elevadas, generando trabajo mecánico que puede ser útil durante la contracción muscular6.

Todos estos avances se han producido gracias a sistemas in vitro en donde existe un gran control sobre las distintas variables experimentales en juego. Pero ahora que conocemos las opciones de regulación de las propiedades mecánicas de titina, es el momento de dar un paso más allá e intentar identificar y cuantificar esas modificaciones en un tejido nativo. Para ello, en mi laboratorio del CNIC hemos desarrollado métodos bioquímicos y de espectrometría de masas que nos han permitido cuantificar el estado de oxidación basal de titina y cómo se puede modular en distintas situaciones fisiopatológicas asociadas a cambios en el ambiente rédox de las células musculares.

El reto no es pequeño y requiere de un abordaje multidisciplinar para caracterizar con precisión los fenotipos mecánicos inducidos por las oxidaciones mediante nuevas técnicas biofísicas más precisas y que permitan mediciones directas en rangos fisiológicos de fuerzas6,7, integrar los resultados en modelos computacionales que interpreten funcionalmente los resultados4 y, por qué no, generar herramientas que nos permitan manipular el estado rédox de titina en modelos vivos. La promesa es poder entender mejor y quizás llegar a modular la nanomecánica de titina en la salud y en enfermedades como el infarto de miocardio o la miocardiopatía dilatada. Es posible que la IUPAC sospeche que estamos en el camino adecuado. Aunque el elemento que me ha dado de comer científicamente es el azufre, representar al arsénico tiene sus ventajas mediáticas dadas sus propiedades venenosas, tan conocidas para el gran público.

 Figura Jorge Alegre

Figura. a) Tabla periódica de químicos jóvenes de la IUPAC (Copyright © 2019 International Union of Pure Applied Chemistry, Reproduced by permission of International Union of Pure and Applied Chemistry). b) Reacciones de intercambio tiol-disulfuro en proteínas bajo fuerza en un AFM.

 

Referencias:

1.Wiita, A. P. et al. Force-dependent chemical kinetics of disulfide bond reduction observed with single-molecule techniques. Proc Natl Acad Sci U S A103, 7222-7227. (2006).
2.Kosuri, P. et al. Protein folding drives disulfide formation. Cell151, 794-806. (2012).
3.Herrero-Galán, E. et al. Redox regulation of protein nanomechanics in health and disease: Lessons from titin. Redox Biology21, 101074. (2019).
4.Alegre-Cebollada, J. et al. S-glutathionylation of cryptic cysteines enhances titin elasticity by blocking protein folding. Cell156, 1235-1246. (2014).
5.Giganti, D. et al. Disulfide isomerization reactions in titin immunoglobulin domains enable a mode of protein elasticity. Nat Commun9, 185. (2018).
6.Eckels, E. C. et al. The Mechanical Power of Titin Folding. Cell reports27, 1836-1847 e1834. (2019).
7.Pimenta-Lopes, C. et al. Concurrent atomic force spectroscopy. Communications Physics2, 91. (2019).

 

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Entrevista

Jorge Alegre-Cebollada

CNIC, Madrid

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Mi vocación científica surgió durante la educación secundaria, cuando aprendí unas primeras nociones de biología celular. Intuía que comprender cómo la materia orgánica se organiza para dar lugar a esas estructuras y comportamientos celulares aparentemente tan bien diseñados era un reto intelectual formidable. A la vez, pensaba muy inocentemente en que, si fuera científico, podría no sólo contribuir a entender la organización de la materia viva, sino también a “curar” enfermedades. A los 14 años, había decidido que para encauzar mi vocación científica estudiaría bioquímica. En esta narrativa hay mucho de candidez e inocencia, pero confieso que tampoco he evolucionado mucho al respecto en los últimos 25 años.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Hice mi tesis doctoral en el estudio de los mecanismos de formación de poros en membranas por toxinas de anémonas de mar, bajo la dirección de Álvaro Martínez del Pozo y Pepe Gavilanes en la Universidad Complutense de Madrid. Me formé en técnicas de ingeniería y caracterización estructural y funcional de proteínas. Durante mi tesis, me empecé a interesar por la biofísica y tuve la fortuna de ser aceptado para mi postdoc en el laboratorio de Julio Fernández en la Universidad de Columbia en Nueva York. Julio es uno de los pioneros en el uso de técnicas de molécula individual para caracterizar las propiedades mecánicas de proteínas. Durante mi etapa postdoctoral, me aproveché de mi formación como bioquímico de proteínas para realizar proyectos que, en general, trataban de entender cómo señales bioquímicas modulan la mecánica de proteínas, siempre empleando sistemas in vitro muy controlados. Por ejemplo, describimos que la modificación rédox de cisteínas es una manera muy eficiente de regular la nanomecánica de dominios tipo inmunoglobulina. Es buena idea el cambiar de campo durante el postdoc, pero siempre aportando algo de tu experiencia predoctoral. Ahora, en mi grupo del CNIC, estamos trabajando para comprender el papel de estas modificaciones activas mecánicamente en sistemas relevantes para la salud cardiovascular. El salto de escala es formidable, pero tenemos una experiencia única para afrontar esta aventura.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? 

R.- Son múltiples, y cada buen investigador se caracteriza por una combinación particular. Se me vienen a la cabeza algunas importantes: la honestidad, la perseverancia, la creatividad, el optimismo, la pasión, el espíritu de superación, la capacidad de trabajar en equipo, la pedagogía, la empatía y la capacidad de liderazgo.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica? 

R.- Ahora mismo existen muchas oportunidades para hacer estancias de investigación en laboratorios nacionales e internacionales durante el grado, el máster y también durante el doctorado y mi consejo es que los estudiantes aprovechen estas oportunidades. Cuando van a iniciar la carrera investigadora, es importante conocer diferentes laboratorios, investigadores y temáticas, para encontrar el campo que les resulte más apasionante.

Dar rienda suelta a esa pasión, al comienzo de la carrera científica, es importante porque es el mejor momento para formarse. Es clave que el científico vocacional pueda realizar su tesis doctoral en un laboratorio en el que se sienta a gusto y motivado. En España no es infrecuente transmitir a los estudiantes nuestras propias frustraciones en relación a la falta de medios, la ineficacia del sistema, etc.

Es contraproducente porque además nos solemos olvidar de mencionar algo importante: si uno tiene vocación científica, dedicarse a la ciencia sigue siendo, pese a las dificultades, una manera muy efectiva de realizarse personalmente.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? 

R.- Si uno echa la vista atrás unas décadas, vemos que la carrera científica en España ha mejorado enormemente. Aun así, queda mucho camino por recorrer y da la sensación de que en los últimos años nos estamos desviando de la trayectoria apropiada. Las recetas de éxito no hay que inventarlas; las tenemos en otros países cuyas aportaciones científicas han sido substanciales en el último siglo (EEUU, Reino Unido, Alemania, etc.), pero también en aquellos otros países que han imitado sus modelos de manera exitosa (Singapur, China). Una característica común de estos sistemas es que existen mecanismos que permiten apostar por líderes de grupo jóvenes, para que consoliden nuevas líneas de investigación independientes. Ahora mismo estas oportunidades son muy limitadas en España. En este sentido, me preocupa también la pérdida de competitividad investigadora de las universidades en España, sobre todo en áreas afines a la bioquímica. En los países punteros, las universidades contribuyen de manera decisiva a los resultados de la investigación y aquí no lo ponemos fácil y menos a los nuevos profesores.

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- El camino que queda por recorrer es largo, si queremos que la contribución española a la ciencia mundial sea significativa en los próximos años. Hay motivos para el optimismo, no obstante. Por ejemplo, muchos de los mejores estudiantes de sus promociones aspiran a realizar doctorados y tener carreras en ciencia. Además, la percepción de la ciencia en la sociedad es, en general, buena. Incluso los políticos de nuestro país, a los que tanto cuesta poner de acuerdo, parecen encontrar en la ciencia bastantes puntos en común. También hay amenazas obvias: dificultades en la promoción de científicos jóvenes, burocracia paralizante, pérdida de financiación durante la última década, y, por todo ello, desconfianza generalizada de los científicos hacia el sistema. Pero hay muchos actores trabajando por mejorar el sistema. ¿Una receta de éxito? Mezclar a partes iguales simplificación de burocracia, aumento de financiación y promoción de nuevos laboratorios.

 

Perfil biográfico

Jorge Alegre-Cebollada

CNIC, Madrid

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Nacido en Zaragoza en 1980. Estudió el primer ciclo de Química en la Universidad Complutense y completó el segundo ciclo de Bioquímica (2003, premio extraordinario y nacional) y el doctorado (2008, premio extraordinario) por la misma universidad. Entre 2008 y 2014 trabajó en la Universidad de Columbia (Nueva York), periodo durante el cual caracterizó la resistencia mecánica de adhesinas bacterianas (JBC 285, 11235; PNAS 113, 2490), describió un método para detectar isomerización de puentes disulfuro en tiempo real (Nature Chemistry 3, 882), determinó que el plegamiento de proteínas guía la formación de puentes disulfuro (Cell 151, 794) y descubrió que modificaciones postraduccionales de residuos crípticos modulan las propiedades mecánicas de proteínas (Cell 156, 1235). En el CNIC, su grupo trabaja para entender el papel de la nanomecánica de proteínas en el corazón, como por ejemplo su modulación por puentes disulfuro en titina (Nature Communications 9:185).

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