Taller de proteïnoflexia

• Som un grup de recerca en biomedicina i estem investigant els casos d’una nova malaltia priònica que té com a conseqüència afectacions neuronals. El prió és una proteïna mal plegada que produeix efectes molt greus al cervell de les persones que pateixen la malaltia.
• El nostre objectiu és “trencar” o desestructurar el prió, ja que la seva “força” o funció rau en el seu plegament. Si li canviem la formal prió, es podrien prevenir els efectes neurodegeneratius de la malaltia.
• Per desestructurar el prió, modificarem la seva seqüència d’aminoàcids, eliminant, afegint o canviant algun dels aminoàcids per uns altres. Per simplificar la nostra feina, volem aconseguir destruir la seva forma amb els mínims canvis possibles.
• Així doncs, farem servir l’AlphaFold per fer proves i trobar quin canvi mínim cal fer en la seqüència per modificar la conformació del prió.

Nota: es pot aprofitar per treballar coneixements previs en l'entorn de l'alumnat sobre la malaltia de les “vaques boges”.

Per fer l’experiment, farem servir una part de la seqüència d’aminoàcids d’un prió boví. Aquesta és la seqüència d’aminoàcids (36):

GENFTETDIKMMERVVEQMCITQYQRESQAYYQRGA

Imatge

I aquesta la seva estructura 3D quan el prió està plegat. El tipus d'estructura s'anomena hèlix alfa.

Repte a resoldre: quin és el mínim canvi en la seqüència d’aminoàcids que provoca la pèrdua d'estructura del prió?

Les opcions són: eliminar o afegir aminoàcids. Per trobar la solució òptima, utilitzarem AlphaFold (trobareu les instruccions aquí).

Ens distribuïm en grups de 2-3 persones. Recomanem que cada grup realitzi 5 modificacions. Les combinacions poden ser diverses, tenint en compte les següents variables:

• Què? Afegir o treure aminoàcids
  • NOTA: en el cas d’afegir aminoàcids, es recomana afegir repeticions d’un aminoàcid concret per obtenir canvis més evidents.
  • PISTA: Les glicines (G) i les prolines (P) tenen tendència a trencar les conformacions d’hèlix alfa amb més facilitat.
• On? Inici, mig o final de la seqüència d’aminoàcids
• Quants? Nombre d’aminoàcids
  • En el cas d’afegir-ne, a partir de 2 aminoàcids
  • En el cas d’eliminar-ne, a partir de 5 aminoàcids
• Com? Usant l'eina de predicció d'estructura d'AlphaFold

Com un bon científic o científica, cal que anotis tots els canvis i resultats en una fitxa: la seqüència original, les seqüències que heu provat, els canvis que heu fet (afegir/eliminar, on i quants aminoàcids) i els resultats que heu obtingut (podeu enganxar una captura de pantalla de la imatge del plegament resultant).

A la fitxa també s’han de respondre a les preguntes:

• Ha estat suficient el canvi per impedir que es plegui correctament la proteïna?
• Hi ha algun canvi que hagi fet trencar l’espiral? Quins?
• Si n’hi ha hagut, quin ha estat el mínim canvi que ha permès desestructurar el prió?

Un cop passat el temps de proves, compartiu amb la resta de grups els resultats. Consensueu entre tots la seqüència òptima, és a dir, aquella que amb el mínim de canvis que aconsegueix desestructurar el prió.

Imatge

Som un grup de biotecnòloges i biotecnòlegs que volem evitar que un virus infecti a un bacteri. Els virus que infecten bacteris s’anomenen bacteriòfags. En aquest vídeo podeu veure com ho fan (del minut 1:51 al 2:31).

Un cop el virus es posiciona sobre la membrana del bacteri, el perfora amb una espècie de molla que té a la part inferior, entre les potes. Aquesta molla té una estructura en forma d’alfa hèlix (un tipus de plegament de proteïnes en forma d’espiral).

Una de les maneres d’evitar que aquest virus penetri el bacteri i l’infecti és destruint aquesta molla o impedint que es formi. Si les proteïnes no aconsegueixen plegar-se bé per formar la molla, aquesta no pot fer la seva funció i, per tant, s’impedirà que el virus pugui entrar dins els bacteris per infectar-leos.

Per evitar que es plegui correctament cal modificar la seqüència d’aminoàcids que formen la molla, eliminant, afegint o canviant alguns dels aminoàcids de la seqüència per uns altres.

Aquesta és la seqüència d’11 aminoàcids:

VTQLAIDRTIA

Imatge

I aquesta la seva estructura 3D quan està plegada la proteïna:

En grups de 2-4 persones heu de trobar la manera de trencar amb aquesta estructura d’alfa hèlix, però fent el mínim de canvis possibles. Les opcions són eliminar, afegir o canviar 1, 2, 3, 4 o 5 aminoàcids.

Repte a resoldre: Quins canvis en la seqüència provoquen el "trencament" de l'estructura de la "molla"?

Només podeu canviar un dels aminoàcids de la seqüència per un altre cada vegada.

Per fer-ho haureu de fer el canvi en la seqüència i predir quina estructura tindrà, fent servir el programa AlphaFold. (seguiu l'enllaç)

IMPORTANT: cal tenir en compte que cada canvi que es prova triga uns 2-3 minuts en donar el resultat, però en funció de la connexió i els ordinadors pot trigar més.

Pista: alguns aminoàcids són semblants entre sí pel que fa a les seves propietats, és a dir, que tot i ser diferents aminoàcids, tenen la mateixa funció (o similar) i, per tant, no afecten l’estructura de la proteïna. Ajudeu-vos de la taula d’aminoàcids per decidir quins eliminar, afegir o canviar a la seqüència que heu de modificar.

Imatge

Explicació: en funció de les cadenes laterals dels aminoàcids, i les propietats químiques d’aquestes, els aminoàcids es classifiquen en diferents grups. Dins de cada grup, els aminoàcids que formen part són el que s’anomenen aminoàcids semblants, ja que les seves propietats són similars, per això es troben en el mateix grup. Com sigui, aquesta cadena lateral té una importància clau a l’hora del plegament i conformació de les proteïnes. A causa de les interaccions que es puguin donar entre les cadenes laterals d’aminoàcids quan la proteïna estigui plegada, la posició dels aminoàcids a la seqüència determinarà la seva conformació final. Per això, els canvis d’aminoàcids poden afectar més o menys a l’estructura final de la proteïna. Si canviem un aminoàcid per un altre del mateix grup, pot no alterar la conformació en 3D, ja que tenen les mateixes característiques (o similars). Font d’informació: article de la revista Nature.

Com un bon científic o científica, cal que anotis tots els canvis i resultats obtinguts: la seqüència original, les seqüències que heu provat, els canvis que heu fet i els resultats que heu obtingut.

• Hi ha algun canvi que hagi fet trencar la molla? Quins?
• Quins canvis no han fet cap canvi en l'estructura? Per què?

Un cop passat el temps de proves, compartim amb la resta de grups els resultats i consensuem entre tots la resposta al repte.

Imatge

Abans de començar:

Aquesta proposta és per fer-la després d'alguna de les anteriors i es basa en la generació a l'atzar d'estructures de proteïnes per posar en pràctica la creativitat, com qui fa servir fang per modelar.

Context

Som bioartistes que hibridem art i ciència i estem dissenyant una exposició artística a partir de seqüències de proteïnes. Un cop obtenim les proteïnes plegades, les fabriquem i mirem què fan dins d’una cèl·lula.

Gràcies al programa AlphaFold, podem provar plegaments de proteïna a partir de seqüències d’aminoàcids creades per nosaltres en un temps prudencial.

Avui buscarem noves proteïnes per a l’exposició. Quan trobem aquella seqüència o estructura que ens inspiri, podem crear un producte final com una entrada al blog o una impressió 3D.

Repte a resoldre: Podem fer servir la creativitat per crear seqüències de proteïna i predir la seva estructura usant l'eina AlphaFold?

Per fer-ho haureu predir quina estructura tindrà la seqüència, fent servir l'eina AlphaFold (seguiu l'enllaç).

És una tasca bàsicament a l’atzar en què es poden provar diferents estratègies. Per exemple:

• Què passa si posem repeticions del mateix aminoàcid seguit com WWWWWW?
• Què passa si posem repeticions de 3 o 4 aminoàcids seguits com AYKTAYKTAYKT?
• Què passa si escrivim una paraula?
• Què passa si escrivim una frase (inventada o una part d’un llibre)?
  Nota: en aquest cas haurem d’eliminar tots els espais i els signes de puntuació.
• Què passa si escrivim el nostre nom?

IMPORTANT: cal tenir en compte que cada canvi que es prova triga uns 2-3 minuts en donar el resultat, però en funció de la connexió i els ordinadors pot trigar més.

Com un bon bioartista, cal que anoteu les seqüències que heu provat i els resultats que heu obtingut (poden fer una captura de pantalla de la imatge del plegament resultant).

Un cop passat el temps de proves, compartim amb la resta de grups els resultats.

A partir d’aquí, podeu preparar un producte final en què s’expliqui l'obra que heu creat, imprimir-la en gran, amb impressora 3D, modelar-la amb un altre material... Cada grup, a partir de l’estructura generada, pot crear una obra artística en el format i amb els materials que consideri adequats. Al final podeu mostrar les obres i una explicació en una exposició!

Per agafar idees, podeu visitar algun museu d’art modern o directament el PDB Art. També hi ha altres exemples de protein paintings com el del PNAS.

Imatge

Aquest taller és el producte final d'un projecte d'aprenentatge que hem fet membres de l'Institut BIST amb l'Institut Angeleta Ferrer. Es tracta d'un taller presentat a l'SteamConf2022 que tracta de donar resposta a la pregunta motor del projecte: Com podem ajudar els docents a desenvolupar el pensament científic de l'alumnat?

Dra. Joana Fort

Doctora en biomedicina, és investigadora a l’IRB Barcelona i professora de la UB.

Va tenir la idea científica motor del taller de Proteïnoflèxia.

Dra. Elena Meléndez

Doctora en biomedicina, s’encarrega de la Participació Ciutadana i Educació Científica a l’IRB Barcelona i ha vetllat per l’encaix de la iniciativa a l’aula.

Àlex Argemí

Biòleg i màster en medicina translacional, és cap de comunicació de l’ICN2 i ha participat com a creatiu i facilitador de l’acció.

Eduscopi

Empresa de comunicació i educació científica que ens ha acompanyat en aquest viatge.