La cristalografía de proteínas, ¿por qué y para qué?

El Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC) es una unidad de investigación del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad e Granada. El LEC tiene una amplia trayectoria en la investigación de los procesos de nucleación y crecimiento de cristales de prácticamente cualquier tipo de materia, desde la formación de los cristales gigantes de yeso en Naica o en Pulpí a la cristalización de moléculas biológicas como las proteínas.

Aunque estamos muy habituados a la presencia de materiales cristalinos en nuestro entorno, en microchips, joyas, paneles solares, etc., el hecho de cristalizar proteínas puede resultarnos algo más exótico. Sin embargo, aunque muy poco frecuente, las proteínas también pueden presentar un estado cristalino en su entorno fisiológico. Un ejemplo, poco deseado, es la precipitación de la proteína gamma-cristalina en los ojos que aparecen en edades avanzadas y que da lugar a las cataratas. Gracias a que es un material solido, es posible su eliminación quirúrgica. Otro ejemplo es la formación de cristales de insulina en los islotes de Langerhans del páncreas de muchos mamíferos. En este caso parece que estos cristales de insulina se emplean como almacenamiento o como sistema de protección de la insulina frente a enzimas que la puedan degradar (proteasas).

A pesar de su interés académico, estas observaciones no justificarían el esfuerzo que se ha realizado a nivel mundial, tanto en la sociedad civil como en las industrias farmacéuticas, para la obtención de cristales de proteínas. Mucho más frecuente es la cristalización de proteinas en laboratorio para determinar su estructura a escala atómica mediante la técnica de difracción de Rayos-X. Es lo que en el argot científico denominamos proteomica estructural. Las estructuras de las proteínas, la disposición de los átomos que la componen, es un puzle de miles de piezas que hay que ensamblar. Por poner una analogía un poco absurda seria muy difícil, casi imposible, armar un puzle sin luz y en la mayoría de los casos cuanta mas luz, mas fácil nos será. En el caso de las proteínas nuestra luz es algo especial, son los rayos-X, pero también cuanto mas intensa mejor, por eso empleamos la radiación generada en aceleradores de electrones como es el sincrotrón Alba de Barcelona.

El conocimiento de la disposición atómica en las proteínas, la estructura 3D, es lo que nos ayuda a entender su funcionamiento y lo que nos permite diseñar moléculas, fármacos, que faciliten o inhiban su acción. Por supuesto la cristalografía de rayos X no es la única técnica disponible para determinar la estructura de la proteínas, otras técnicas como la resonancia magnética nuclear (RMN) y la microscopía electrónica (EM) contribuyen a este conocimiento y no requieren de cristales pero tienen otras limitaciones que seguro iremos limando con el tiempo. En definitiva, a día de hoy mas del 90% de las estructuras de proteínas resultas se han generados a partir de los cristales de proteínas, nuestro foco de acción en el LEC. Nuestro grupo es pionero a nivel mundial en el desarrollo de las técnicas contradifusivas de cristalización de proteínas con varias patentes metodológicas y modelos de utilidad. Aunque conceptualmente hay una complejidad inherente para entender el funcionamiento de estas técnicas su implementación es muy fácil. De forma muy escueta y resumida podríamos decir que empleando capilares y geles conseguimos acercarnos a las condiciones de micro-gravedad que han demostrado ser beneficiosas para obtener cristales de buena calidad.

Sin embargo, en el LEC no nos limitamos a la producción de cristales para la determinación estructural, sino que hemos querido explorar otros potenciales usos de los cristales de proteínas dentro de lo que denominamos aplicaciones biotecnológicas y farmacológicas. Todas las insulinas que se usan para tratar la diabetes, salvo las de acción rápida, son en realidad una suspensión de micro-cristales de insulina. Tanto la insulina regular, la intermedia o la lenta son cristales de insulina normal, insulina mutada o complejos de insulina con otras moléculas como la protamina. En nuestro laboratorio hemos conseguido elaborar cristales compuesto de un hidrogel y la insulina normal, no modificada ni mutada, para que ésta se comporte como una insulina de tipo intermedio. El producto generado no solo es compatible con la administración controlada, sino que tiene una mayor estabilidad térmica. Esta prueba de concepto, aunque muy interesante en el caso de la insulina, lo que pone de manifiesto es la potencialidad de esta metodología para obtener productos farmacológicos o biotecnológicos de composición y propiedades controladas.

Por otro lado, en nuestra unidad buscamos como valorizar los cristales de proteínas en diferentes aplicaciones biotecnológicas. En todos los seres vivos la mayoría de las proteínas entran en la categoría de las enzimas. Las enzimas son las proteínas encargadas de crear, romper o modificar enlaces químicos y son por tanto las cadenas de montaje de la vida. Las enzimas son capaces de inducir reacciones químicas de forma más especifica y eficiente que cualquiera de los procesos químicos que hemos desarrollado los humanos. No obstante, son muy delicadas y difíciles de mantener en estado activo. Los cristales de enzima también comparten esa sensibilidad. A pesar de ser un solido, los cristales de proteína se asemejan a una esponja con grandes canales llenos de agua. En el LEC, hemos encontrado la forma de estabilizar estos cristales manteniendo la actividad de las enzimas que lo formana través de de los canales de agua. Recientemente hemos demostrado que podemos producir grandes cantidades de estos cristales enzimáticos de forma económica y potencialmente escalable a nivel industrial.

Así pues, con nuestros estudios hemos incorporado los cristales de proteínas, incluyendo los de enzimas, a la biotecnología, entendida como la explotación de los recursos que nos brindan los procesos biológicos para la obtención de soluciones técnicas o metodológicas aplicables a la obtención de productos y servicios de forma segura, eficaz y sostenible.

El Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC) es una unidad de investigación del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad e Granada. El LEC tiene una amplia trayectoria en la investigación de los procesos de nucleación y crecimiento de cristales de prácticamente cualquier tipo de materia, desde la formación de los cristales gigantes de yeso en Naica o en Pulpí a la cristalización de moléculas biológicas como las proteínas.

Aunque estamos muy habituados a la presencia de materiales cristalinos en nuestro entorno, en microchips, joyas, paneles solares, etc., el hecho de cristalizar proteínas puede resultarnos algo más exótico. Sin embargo, aunque muy poco frecuente, las proteínas también pueden presentar un estado cristalino en su entorno fisiológico. Un ejemplo, poco deseado, es la precipitación de la proteína gamma-cristalina en los ojos que aparecen en edades avanzadas y que da lugar a las cataratas. Gracias a que es un material solido, es posible su eliminación quirúrgica. Otro ejemplo es la formación de cristales de insulina en los islotes de Langerhans del páncreas de muchos mamíferos. En este caso parece que estos cristales de insulina se emplean como almacenamiento o como sistema de protección de la insulina frente a enzimas que la puedan degradar (proteasas).