Desde los agujeros negros hasta la producción de medicamentos

P53-Protein

¿Te has preguntado alguna vez cómo es que los científicos son capaces de ver la estructura en 3D de moléculas tan pequeñas como las proteínas? Yo sí me lo he preguntado y te platicaré como lo hacen.

¿Qué microscopio puedo usar para ver una proteína?

Lamentablemente, en la actualidad no existe un microscopio con el cual podamos ver moléculas tan pequeñas como las proteínas. Si usamos un microscopio óptico (el microscopio más sencillo que existe), nuestros ojos pueden ver cualquier cosa que mida más de 400 nanómetros (que es el tamaño de algunas bacterias); ese es el límite inferior de la longitud de onda de la luz visible, la única longitud de onda que puede excitar a los fotoreceptores, células que se encuentran en nuestra retina cuya función es permitir la visión.

Si quisiéramos ver cosas más pequeñas que las bacterias, sería necesario utilizar una fuente de luz con longitudes de onda más cortas, como los rayos X. ¡Los cuales tienen la longitud de onda suficientemente corta para poder visualizar átomos a nivel individual! Pero allí no acaba el problema, pues tampoco existen microscopios o aparatos que nos permitan observar objetos a esta escala a partir de una fuente de luz de rayos X.

Por ello, se tiene que producir un patrón de difracción, el cual es producido por la interferencia de los rayos X con un cristal, lo que es análogo a sacar una radiografía de una proteína y, a través de un proceso matemático complejo, se logra reconstruir la imagen tridimensional en una computadora.

Una parte muy importante, sin la cual no podríamos ver una proteína, es la obtención de un cristal hecho de proteína. Los cristales están constituidos por millones de moléculas que están posicionadas de la misma forma, y son necesarios ya que sirven como un amplificador de señal. Aunque teóricamente se puede ver una proteína en 3D usando solo una molécula, ésta no podría amplificar tanto la intensidad de los rayos X difractados como lo hace un cristal. Escuchas mejor si mil personas te gritan desde lejos que una sola persona.

Ya que se utilizan cristales de proteínas y rayos X, se le ha denominado a esta herramienta de la ciencia Cristalografía de Rayos X.

Algo muy grande para algo muy pequeño

Los rayos X son generados en máquinas enormes donde se aceleran electrones a casi la velocidad de la luz y se hacen chocar contra los cristales de proteína, para obtener un patrón de difracción.

Estas máquinas gigantes se encuentran dentro de instalaciones que se llaman sincrotrones, y se construyen en forma de anillos. Típicamente miden kilómetros de diámetro, por lo que es muy curioso el hecho de que algo tan grande, como lo es un sincrotrón, se use para ver algo tan pequeño, como una proteína o un antibiótico formado de apenas una docena de átomos.

A fin de cuentas, no es una cosa muy distinta de una radiografía, pero en lugar de ubicar huesos, se ubica donde se encuentran los átomos de las moléculas que estudiamos y en lugar de ir a un hospital, ¡se va a un sincrotrón!

Es en los sincrotrones que, cuando se está llevando a cabo el proceso de obtener la radiografía de la proteína (patrón de difracción), sucede a menudo que una partícula de alta energía choca contra la radiografía y libera muchos electrones dejando una marca que estorba en el proceso de determinar la estructura tridimensional. Pero ¿de dónde provienen estas partículas de alta energía? Bueno, pues se llaman rayos cósmicos y son partículas exóticas que son producidas cuando una supernova explota, o cuando un agujeros negro emite radiación, o incluso cuando el sol expulsa los chorros de energía que se conocen como llamaradas solares.

Nuevas medicinas para combatir enfermedades

Ya platicamos de manera somera cómo es que se pueden ver objetos tan pequeños como lo son las proteínas, y tal vez te estés preguntando de qué nos sirve todo esto.

Un gran problema con los microorganismos que causan enfermedades, es cuando los antibióticos ya no son capaces de matarlos, fenómeno que se conoce como resistencia. Esta resistencia de los patógenos a los medicamentos surge debido a que una mutación aleatoria en su material genético les permite ahora “digerir” el medicamento sin daño alguno. Es entonces cuando el antibiótico que tomábamos ya no sirve y es necesario inventar uno nuevo que las bacterias no puedan “digerir”. Este hecho ha creado una verdadera carrera armamentista entre humanos y patógenos: mientras que el ser humano crea un nuevo medicamento, los patógenos inventan nuevas maneras de deshacerse de ellos.

Es aquí cuando la cristalografía de rayos X ayuda en el diseño y creación de nuevos fármacos. Esto se logra al observar la estructura tridimensional de alguna proteína vital del metabolismo microbiano para poder saber cuáles son los sitios importantes en esta proteína, y así bloquearlos e interferir con su función. De tal manera que se evite el crecimiento de estos microorganismos causantes de enfermedades.

Este forma de diseñar fármacos, ya ha dado resultados en el tratamiento de otras enfermedades, como el cáncer. Muy recientemente, la administración de alimentos y medicamentos del gobierno de los estados unidos aprobó el Zelboraf, un fármaco desarrollado mediante cristalografía de rayos X para tratar el melanoma, una de las formas más malignas de cáncer de piel que existen,  y que ocasiona la muerte de 48,000 personas cada año en todo el mundo.

Así que ya sabes, no solamente son complejos cálculos matemáticos sin objeto alguno, pues como bien pensó el físico Alemán Albert Einstein, “No olvidemos que las ecuaciones que escribimos en el pizarrón son a fin de cuentas en beneficio de la humanidad”. Iconofinaltexto copy

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Ezequiel Alejandro Madrigal Carrillo

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