La técnica de molécula individual permite explicar el comportamiento termodinámico de sistemas complejos de biomoléculas

Felix Ritort, jefe de grupo del CIBER-BBN en la UB
Universitat de Barcelona (http://www.ub.edu) | martes, 31 de enero de 2017

La mayor parte de las medidas termodinámicas de reacciones de unión entre moléculas se basan en la validez de la ley de acción de masas, bajo y la suposición de una solución diluida. Sin embargo, los sistemas biológicos relevantes como la unión alostérica de ligando-receptor, la aglomeración macromolecular, o el plegamiento anormal de moléculas, no cumplen estas suposiciones y requieren un modelo de reacción particular. Ahora, en un artículo publicado en la revista Science por un equipo de la Universidad Barcelona, los investigadores han determinado -mediante un modelo independiente- propiedades termodinámicas de sistemas complejos de biomoléculas como por ejemplo energías de unión, selectividad química, o alosteridad –es decir, capacidad de unión fuera de los núcleos activos- de ácidos nucleicos y péptidos.

El trabajo se ha llevado a cabo íntegramente en el laboratorio Small Biosystems Lab de la UB que dirige Félix Ritort, jefe de grupo del CIBER-BBN y profesor del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Física de la UB, y han participado también los investigadores Joan Camuñas y Anna Alemany.

“Esta investigación ha permitido extender los teoremas de fluctuaciones más allá de las reacciones de plegamiento unimolecular, uniendo la termodinámica de los sistemas pequeños a las leyes básicas del equilibrio químico. Además, se podría aplicar una aproximación similar para sistemas más complejos como las interacciones RNA-proteína y proteína-proteína”, explica Felix Ritort.

Las energías de unión son valores clave para poder determinar el destino de las reacciones intermoleculares y las técnicas de fuerzas, así como las pinzas ópticas aplicadas a moléculas individuales, se pueden utilizar para tirar de complejos individuales ligando-DNA, permitiendo así detectar los momentos diferentes puntos de unión de uno en uno.

“Aquí introducimos el teorema de fluctuación para la unión de ligandos (fluctuation theorem for ligand binding, FTLB), hecho que nos permite extraer directamente energías de unión de biomoléculas o de reacciones de orden más alto de la medida del trabajo irreversible en experimentos de tracción”, explica Ritort.

La manipulación de moléculas individuales es particularmente adecuada para observar estructuras con plegamientos anómalos, pero todavía faltaban métodos para caracterizar este tipo de sistemas. Aplicando el FTBL, ha sido posible extraer información de estas estructuras no nativas estabilizadas cinéticamente.

“Utilizando horquillas de dos zonas de unión unidas por cuatro pares de bases, hemos observado la formación de una estructura plegada anómalamente que consiste en dos pinzas cortas en serie” apunta Ritort. Utilizando sistemas biomoleculares diferentes de complejidad creciente, los investigadores de la UB han proporcionado una verificación de molécula individual de la ley de acción de masas mostrando como la FTLB puede contabilizar el intercambio de masa entre un sistema molecular y su entorno. “El teorema FTLB proporciona una medida experimental directa de las energías de unión sin utilizar ningún modelo o esquema de la reacción, lo cual es especialmente útil en casos en los que la ley de acción de masas no funciona”, concluye Ritort.

Referencia del artículo:
Joan Camuñas-Soler, Anna Alemany, Felix Ritort. “Experimental measurement of binding energy, selectivity, and allostery using fluctuation theorems”. Science, January 2017. DOI: 10.1126/science.aah4077