Básico y fundamental
Un trabajo realizado íntegramente en Argentina logró esclarecer un mecanismo clave del metabolismo celular a partir del estudio de la mioglobina. Los resultados, además de ayudar a entender mejor un proceso esencial de la respiración de las células de algunos tejidos vitales, podrían allanar el camino hacia futuras investigaciones en materia de salud.
La historia tiene distintos comienzos. Uno fue retomar un viejo intercambio por correo electrónico donde se arriesgaban preguntas sobre la liberación de oxígeno dentro de las células. Otro tiene que ver con años de investigación y experiencia que permiten desarrollar trabajos relevantes. Finalmente, el último muestra una escena decididamente solidaria y de mutua ayuda entre colegas y equipos. Todos convergen en un final exitoso que será, a su vez, un nuevo inicio y que ilustra una fibra íntima de la aventura científica de nuestro país.
Se trata de un reciente trabajo publicado en la revista de la Sociedad Americana de Química (JACS, por sus siglas en inglés), una de las más importantes en esa materia a nivel mundial, realizado íntegramente por equipos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA. La publicación logra esclarecer el mecanismo molecular por el que la mioglobina, una proteína encargada de almacenar oxígeno en células que lo requieren en gran cantidad –como las estriadas que conforman las fibras musculares cardíacas y esqueléticas–, libera este gas vital al interactuar con la membrana de la mitocondria, organela donde se desarrolla la respiración celular.
Repartidos entre los laboratorios del Instituto de Química Biológica de Exactas UBA (IQUIBICEN, UBA-CONICET) y del Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE, UBA-CONICET), los autores destacan que el trabajo involucró técnicas muy diversas y se realizó íntegramente con el equipamiento de sus laboratorios. “Es una pregunta de biología celular básica pero con una respuesta desde varias ramas de la química», destaca Darío Estrin, investigador del INQUIMAE y uno de los autores del trabajo. “Esa amplitud la resolvimos con equipos que tenemos en el instituto, de los que hay muy pocos en Argentina”, agrega.
Los integrantes de los grupos de investigación destacan que el trabajo involucró técnicas muy diversas y se realizó en su totalidad con el equipamiento de sus laboratorios.
Soltar a tiempo
Santiago Di Lella, otro de los autores e investigador del IQUIBICEN, explica el problema biológico: “Las células eucariotas requieren oxígeno en la mitocondria para funcionar y producir oxidación, así, la maquinaria celular obtiene energía. Para abastecer de oxígeno a las células, generalmente se libera desde el medio extracelular, el gas pasa por la célula y llega a la mitocondria. Sin embargo, las células estriadas tienen un requerimiento de oxígeno muy alto y necesitan, además, un almacenamiento. Eso está a cargo de la mioglobina, ubicada dentro de la célula, en el citoplasma. El oxígeno llega a la mioglobina por medio de la hemoglobina, que es la encargada de transportarlo. Allí se almacena hasta que el requerimiento de la célula sea tal que lo tiene que liberar. No se conocía exactamente cómo es que se produce esa liberación. Es una pregunta pequeña que no estaba muy bien respondida en los textos de biología celular básica”.
Di Lella cuenta que se unió a este grupo experto en globinas por su experiencia en el trabajo con membranas. “Así trabajamos nosotros, se nos ocurren cosas que vinculan mundos diferentes y nos planteamos preguntas”, expresa. Y precisa: “nos propusimos responder si acaso la comunicación de la mioglobina con la membrana mitocondrial favorece la liberación de oxígeno o la modifica de alguna manera”.
(De izq. a der.) Adelante: Sara Bari, Luciana Capece y Darío Estrin. Atrás: Santiago Di Lella y Juan Cruz Palermo. Fotografía: Luiza Cavalcante.
Según Estrin, se trata de una hipótesis que ya había sido mencionada previamente, aunque sin una evidencia rigurosa. “Intentamos atacar esa hipótesis, confrontarla con experimentos y simulaciones para ver si era correcta y tratar de entenderla desde un punto de vista molecular”, explica. Y completa: “Al ser químicos, observamos los temas biológicos de esa manera, por ejemplo, viendo qué interacciones entre átomos son las responsables de que algo ocurra como lo hace”.
Por su parte, Luciana Capece, investigadora en el INQUIMAE, señala que vienen estudiando proteínas desde el punto de vista de la simulación computacional. “Las globinas son una familia de proteínas, nos enfocamos en mioglobina y globinas singulares estudiando distintos mecanismos moleculares involucrados en la afinidad por oxígeno, esto es: cuán fuerte está unido el oxígeno a esa proteína”, precisa la científica, explicando que hay una unión química que se tiene que romper para liberarlo.
El trabajo se enfoca en la mioglobina y globinas singulares estudiando distintos mecanismos moleculares involucrados en la afinidad por oxígeno.
“Conocíamos diversos mecanismos moleculares por los que esa afinidad aumenta o disminuye. Entonces, nos preguntamos si cuando se encuentra con la membrana de la mitocondria, se activa alguno de ellos o si hay modificaciones u otros nuevos. Toda esa historia tiene cerca de veinte años de estudios de mecanismos de regulación de la unión del oxígeno con la mioglobina y otras globinas y fue una base de conocimiento para entender mejor este problema”, agrega.
Tres caminos
Según Sara Bari, otra de las autoras e investigadora del INQUIMAE, el trabajo reunió a tres grupos. “Uno experimental que se ocupó de hacer determinaciones cinéticas sobre la modificación de la velocidad de liberación de oxígeno en la unión de la mioglobina con un modelo de membrana mitocondrial; otro que estudió el problema desde el punto de vista de la espectroscopía Raman resonante, junto a Daniel Murgida y Ulises Zitare, investigadores del INQUIMAE y coautores del trabajo, que aporta información muy valiosa sobre aspectos estructurales durante la interacción; y, finalmente, el grupo computacional, que simuló la estructura de la membrana y la interacción con la mioglobina observando su evolución en una escala de tiempo”, relata.
La investigadora resume el resultado: “Juntos compusimos la respuesta, vimos que la mioglobina, al asociarse con el modelo de membrana que usamos, duplica la velocidad de liberación del oxígeno”. Según Bari, también observaron una serie de modificaciones en lo que se denomina el sitio proximal de la proteína, es decir, una parte de la interacción del grupo hemo con la proteína propiamente dicha, que explican ese aumento.
“El grupo hemo es lo que se denomina como sitio activo de la proteína, es la parte en donde se une el oxígeno”, explica Estrin. Según Bari, es una molécula orgánica que tiene hierro y que puede estar separada o asociada a la proteína, sostenida por interacciones con aminoácidos, uno proximal, directamente unido al grupo hemo, y otros más lejos, distales. “Son los que participan de alguna manera con la estabilización o desestabilización del ligando que tenga unido, en este caso, el oxígeno”, completa Bari.
“En relación a eso, como no podemos ver experimentalmente lo que pasa en algo tan chiquito, la espectroscopía Raman resonante es una técnica que se basa en hacer incidir un láser para obtener información de qué le está pasando estructuralmente a la proteína. Medimos diferencialmente qué le pasa cuando está sola y cuando está asociada a una membrana”, aporta Di Lella. “Lo que vimos con esas medidas espectroscópicas es qué alteraciones hay en el sitio activo”, comenta Estrin.
El equipo observó que la mioglobina, al asociarse con el modelo de membrana que utilizaron, duplica la velocidad de liberación del oxígeno.
“Desde la simulación, junto a Andresa Messias, otra de las autoras, armamos un modelo de la proteína asociada a una membrana modelo”, agrega Luciana Capece. Y continúa: “Teníamos muchas preguntas. Si imaginamos que la proteína es como una pelota y la membrana una superficie, la primera pregunta era cómo se orienta la proteína. Llamativamente, encontramos una orientación preferencial por la región que contiene el aminoácido histidina proximal. Después, a partir de cálculos más sofisticados, vimos que había cambios muy pequeños a nivel del sitio activo que podían explicar por qué la mioglobina estaba soltando más fácilmente el oxígeno”.
Una relación oxigenada
Un trabajo que se propone explicar un mecanismo fundamental de la respiración celular logra, a su vez, mostrar otro mecanismo, igual de fundamental: el de la respiración de nuestro sistema científico hoy en jaque. “Tuvimos mucha colaboración local. Compañeros que nos han facilitado filtros, oxímetros, equipamiento chico: los pequeños electrodomésticos”, expresa con humor Bari.
Por su parte, Darío Estrin comenta que tenían aprobados unos Proyectos de Investigación Científica y Tecnológica (PICT) de los últimos años, pero nunca se concretaron los desembolsos. Sólo contaron con pequeñas partidas de la UBA y el CONICET, “mínimos”, según su descripción. “La mayor contribución económica vino de pequeños restos de subsidios que no se relacionan directamente con esto pero que hemos ahorrado y de contribuciones económicas de grupos del exterior que nos hicieron donaciones”, completa Di Lella.
“Esa solidaridad entre grupos es lo que hace tan resiliente al sistema argentino, pero no es algo a lo que hay que acostumbrarse”, advierte Juan Cruz Palermo, coautor del trabajo e investigador del IQUIBICEN. “Sin tener en cuenta las limitaciones económicas, hay mucha generosidad en la transferencia de conocimiento y no es algo tan común en otros lugares”, aporta Estrin.
El investigador resalta los consejos que recibió Santiago Di Lella para la producción del modelo de membrana mitocondrial por parte de colegas de Córdoba, Tucumán y Buenos Aires. “Hay una práctica de compartir y ser generosos con el conocimiento. Eso es muy bueno”, destaca.
Lograr ese modelo también requirió insumos costosos y mucha ayuda. “Las membranas son un conjunto de lípidos muy particulares, si sabemos su composición, se puede hacer un modelo. No es algo muy complicado, pero acá todavía no estaba implementado”, afirma Di Lella. Y suma: “Se compran lípidos puros, se hace una mezcla y se usa un extrusor, que pasa esa solución de lípidos a través de membranas con poros muy pequeños. Eso induce la formación de liposomas, que son estructuras esféricas que se aproximan a lo que sería la membrana mitocondrial”.
Al respecto, Estrin destaca que, gracias a un préstamo hecho a Daniel Murgida, se consiguió un equipo de dispersión dinámica de luz en comodato que se pudo instalar en el INQUIMAE, eso les permitió caracterizar con exactitud el tipo de liposomas que estaban constituyendo. “Un equipo así es muy importante, no son experimentos que se hacen en un día, sino que llevan mucho tiempo y es necesario saber que, por ejemplo, los liposomas sean equivalentes a los que se prepararon antes y a los que se van a preparar después”, agrega Capece.
Según Palermo, hacer reproducible los experimentos fue uno de los desafíos en todas las etapas. Por ejemplo, algunos necesitan condiciones anaeróbicas, es decir, la ausencia de oxígeno, algo costoso que requiere de mucha experiencia. Allí radica el principal aporte del investigador. “Acá tengo a todos mis directores y codirectores”, celebra Palermo. Y agrega: “Trabajé toda la tesis doctoral con ausencia de oxígeno, en parte, me convocaron por eso. Es lindo el trabajo en anoxia, pero requiere mucha práctica”.
Capece resalta que el trabajo parte de una pregunta de ciencia básica que puede iluminar diversas investigaciones futuras. Y reflexiona: “No se sabe hasta dónde puede llegar. En el contexto y la concepción actual del financiamiento de la ciencia argentina no tendría lugar”.
“Habíamos pensado hace tiempo una pregunta cercana estudiando el bacilo que causa la tuberculosis. Hay una proteína de ese bacilo que podría funcionar de forma similar. Es un proyecto a futuro. Toda la experiencia adquirida con este trabajo podría servir para estudiar algo que tiene que ver con mecanismos de patogenicidad. Eso también es ciencia básica, pero tiene una cercanía tal vez más grande a un problema de salud”, cierra Estrin.
