Desarrollan un programa para simular el movimiento de las proteínas

Las proteínas son moléculas que intervienen en la mayoría de los procesos biológicos que acaecen en nuestro organismo. Se mueven para llevar a cabo la mayoría de sus funciones. Por ejemplo, se expanden o se contraen para poder almacenar las moléculas y transportarlas. Todos los métodos disponibles hasta ahora para analizar estos movimientos eran sumamente caros: se necesitaban superordenadores y largas horas de cálculos. El Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao ha desarrollado ahora un nuevo método más rápido. Basándose en la semejanza de los movimientos de robots y proteínas, han adaptado los teoremas y algoritmos que utilizan en el estudio y simulación de diferentes mecanismos. De esa manera, se puede saber con mayor rapidez y precisión cómo funciona el movimiento de las proteínas.

Actualmente, el estudio de las proteínas es una de las áreas científicas más interesantes. Cada vez se incorporan más disciplinas al estudio de la naturaleza de estas moléculas. La física, la biología, las matemáticas y ahora la ingeniería han encontrado en ella su correspondiente ámbito de investigación. Gracias a la cooperación del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y CIC bioGUNE, centro de investigación en biociencias, en esta ocasión se han obtenido exitosos resultados: los ingenieros han desarrollado un software capaz de analizar el movimiento de las proteínas más rápido y barato que los programas empleados anteriormente.

Algunas proteínas son estáticas. Son, digamos, los ladrillos que utiliza el cuerpo para formar la piel o los músculos. Otras, en cambio, trabajan en movimiento, son dinámicas. Por ejemplo, deben unirse a un elemento químico para poder cumplir su función. Hasta ahora se han empleado métodos experimentales como la cristalografía de rayos X o la resonancia magnética nuclear para analizar las estructuras estáticas. No obstante, tales medios no sirven para las proteínas en movimiento, que requieren métodos analíticos, como las simulaciones por ordenador. Para ello se necesitan superordenadores, y realizar todos los cálculos conlleva días o incluso meses.

La dificultad se debe a la naturaleza del movimiento de las proteínas. Dicho de una manera sencilla, las estructuras de las proteínas poseen una capacidad de movimiento similar a la de un brazo. Pero, mientras el brazo tiene tres articulaciones, las proteínas pueden llegar a tener cientos o miles de ellas, y eso es lo que hace compleja la simulación. El grupo de investigación COMPMECH, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, ha desarrollado un programa que simplifica el procedimiento. Han observado que el movimiento de las proteínas se asemeja al de un robot, sobre todo al tipo de robot que se emplea en las cadenas de montaje. Precisamente, el grupo de investigación COMPMECH posee gran experiencia en el estudio y simulación de esos mecanismos y ha aplicado los teoremas y algoritmos que usa en la ingeniería. El objetivo ha sido simular el movimiento de las proteínas con el menor coste computacional posible, manteniendo siempre la naturaleza biológica de la proteína. Han trabajado con cuatro proteínas y en dos situaciones distintas. Por una parte, han observado cómo se mueven las proteínas mientras cumplen sus funciones, y, por otra parte, cómo llegan a la estructura tridimensional, ya que al principio las proteínas son largas cadenas que más tarde se doblan.

Interdisciplinariedad

Para llevar a cabo el proyecto, los ingenieros han contado con la ayuda de Luis-Alfonso Martínez Cruz, jefe del laboratorio de cristalografía de rayos X del CIC bioGUNE, para ratificar todas las hipótesis planteadas durante la investigación. El hecho de haber simplificado el método para analizar el movimiento de las proteínas facilitará el trabajo de los investigadores. Por ejemplo, tras observar mediante una simulación cuánto se expande o contrae una proteína al interaccionar con una determinada molécula, se puede saber qué otros compuestos tienen la geometría adecuada para producir la misma interacción. Así, se podrían encontrar nuevos compuestos que en esa interacción bloqueen la proteína, evitando con ello que ejecute su función, como hacen los medicamentos. Estas biomoléculas intervienen en la mayoría de los procesos biológicos que acaecen en nuestro organismo y también en ciertas enfermedades como el cáncer o el alzhéimer, por lo que el análisis de su movimiento podría abrir muchas puertas.

Grupo de investigación:
COMPMECH Research Group, Departamento de Ingeniería. Escuela Técnica Superior de Ingeniería (Bilbao) www.ehu.eus/compmech Luis Alfonso Martínez Cruz. Jefe del laboratorio de rayos X, CIC bioGUNE

Publicaciones:
Mikel Diez, Víctor Petuya, Luis Alfonso Martínez-Cruz, Alfonso Hernández, A biokinematic approach for the computational simulation of proteins molecular mechanism Original Research Article. Mechanism and Machine Theory, Volume 46, Issue 12, December 2011, Pages 1854-1868. 1.214 impact factor.
Mikel Diez, Víctor Petuya, Luis Alfonso Martínez-Cruz, Alfonso Hernández, Biokinematic protein simulation by an adaptive dihedral angle approach Original Research Article. Mechanism and Machine Theory, Volume 69, Issue 12, December 2013, Pages 105-114. 1.214 impact factor.