Nous avenços en la termodinàmica del procés de plegament de les proteïnes

La recerca està dirigida pel catedràtic Fèlix Ritort, de la Facultat de Física i lʼInstitut de Nanociència i Nanotecnologia de la UB (IN2UB), i té com a primer autor lʼinvestigador Marc Rico-Pasto (UB). També hi col·laboren equips de la Universitat de Pàdua (Itàlia), lʼInstitut de Bioenginyeria de Lausana (Suïssa) i la companyia SpliceBio, amb seu al Parc Científic de Barcelona (PCB).

Pinces òptiques per desxifrar la complexitat de la matèria viva

Lʼaparició de tècniques innovadores com ara les pinces òptiques o magnètiques ha revolucionat la recerca en biofísica i, en concret, lʼestudi de les propietats termodinàmiques de les macromolècules: proteïnes, àcids nucleics, etc.. Aquestes eines permeten manipular molècules individuals amb precisió de nanòmetres (10^-9 metres) mitjançant lʼaplicació de forces en el rang del piconewton (10^-12 newtons). Dʼaquesta manera es pot caracteritzar les propietats termodinàmiques de biomolècules complexes amb una resolució sense precedents. Lʼaplicació dʼaquestes tècniques també ha obert nous escenaris per als estudis experimentals en el camp de la termodinàmica des dʼuna aproximació estadística, una interpretació de la termodinàmica que fins ara només era possible des dʼuna perspectiva teòrica.

Tot i això, aquestes tècniques també tenen algunes limitacions que no permeten diferenciar lʼorigen de les forces mesurades. Avui dia, combinar diferents tècniques per ampliar el nombre de paràmetres de control és un dels principals reptes de la biofísica. Precisament, això és el que fa fet lʼequip responsable dʼaquest treball, que ha introduït un controlador de temperatura en unes pinces òptiques per poder determinar, per primer cop, lʼentropia i lʼentalpia de formació dʼuna proteïna.

Els paisatges energètics del plegament de proteïnes

Durant el procés de plegament de proteïnes i altres macromolècules, es produeixen diferents estats cinètics entre lʼestat natiu i lʼestat desnaturalitzat. Alguns són els estats de transició, els estats intermediaris moleculars i les estructures mal plegades, la naturalesa transitòria de les quals en dificulta la caracterització termodinàmica en experiments de conjunt amb un elevat nombre de molècules —de lʼordre de 10²³ molècules, el valor conegut com nombre dʼAvogadro— que sʼanalitzen de manera simultània. Els estats de transició són especialment rellevants, atès que la seva vida útil és extremament curta.

«Els nostres resultats revelen que, en lʼestat de transició, lʼesquelet de la proteïna ja està format. Ara bé, la majoria dʼinteraccions de van der Waals —un tipus de forces febles— entre els residus encara no estan estabilitzades», afirma el catedràtic Fèlix Ritort, membre del Departament de Física de la Matèria Condensada de la UB.

«Les conclusions posen de manifest que el plegament de les proteïnes es pot interpretar com un procés definit per dos passos. En un primer pas, sʼassoleix lʼestat de transició en què lʼesquelet de la proteïna es forma gràcies a lʼexpulsió de les molècules dʼaigua de lʼinterior de la cadena polipeptídica», continua Ritort. «En el segon pas, lʼestat de transició es col·lapsa, sʼestabilitzen les interaccions entre els residus de la proteïna i sʼassoleix lʼestat natiu», conclou lʼinvestigador.

Una primera lectura dels resultats revela que en lʼestat de transició es produeix un canvi dʼentalpia i entropia que correspon aproximadament al 20 % del total mesurat en el plegament. «Aquest fenomen indica que lʼesquelet de la proteïna requereix un 20 % de les interaccions entre residus. La interpretació que fem del plegament de la proteïna està en consonància amb les hipòtesis més recents en lʼàmbit del plegament de proteïnes», indica Marc Rico-Pasto, també membre del Departament de Física de la Matèria Condensada.

Malgrat que han constatat que lʼesquelet de la proteïna està format en lʼestat de transició, els autors apunten que encara no és possible concloure quantes interaccions natives hi ha en aquest estat. «Podem fer una primera estimació —puntualitzen—, però per arribar a quantificar aquest resultat caldria afegir-hi alguna variable experimental que ens permetés mesurar o identificar en temps real el nombre dʼenllaços que es formen durant el plegament molecular», apunten els autors.

Lʼequip dirigit pel catedràtic Fèlix Ritort, cap de lʼSmall Biosystems Lab ubicat a la Facultat de Física, ha fet contribucions ben significatives a lʼestudi de les propietats termodinàmiques de sistemes complexos de biomolècules. En estudis previs, lʼequip va fer servir el model de la proteïna barnasa —una biomolècula globular secretada pel Bacillus amyloliquefaciens— per comprovar que només té dos estats —plegat i desplegat— separats per un estat de transició. La proteïna barnasa, que no presenta estats intermediaris amb temps de vida que durin més edʼun mil·lisegon durant el plegament, també és el model de referència del mètode de caracterització dels estats de transició durant el procés de plegament de les proteïnes (anàlisi del valor phi).

Article de referència: 

Rico-Pasto, M.; Zaltron, A.; Davis, S. J.; Frutos, S.; Ritort, F. “Molten globule-like transition state of protein barnase measured with calorimetric force spectroscopy”. PNAS, març de 2022. Doi: 10.1073/pnas.2112382119