Taller de proteïnoflexia

• Somos un grupo de investigación en biomedicina y estamos investigando los casos de una nueva enfermedad priónica que produce afectaciones neuronales. El prión es una proteína mal plegada que produce efectos muy graves en el cerebro de las personas que padecen la enfermedad.
• Nuestro objetivo es "romper" o desestructurar el prión, ya que su "fuerza" o función radica en su plegamiento. Si le cambiamos la forma al prión, podrían prevenirse los efectos neurodegenerativos de la enfermedad.
• Para desestructurar el prión, modificaremos su secuencia de aminoácidos, eliminando, añadiendo o cambiando alguno de estos aminoácidos por otros. Para simplificar nuestro trabajo, queremos conseguir destruir la forma con los mínimos posibles cambios.
• Así pues, utilizaremos AlphaFold para realizar pruebas y encontrar qué cambio mínimo hay que hacer en la secuencia para conseguir cambiar la conformación del prión.

Nota: se puede aprovechar para trabajar conocimientos previos en el entorno del alumnado sobre la enfermedad de las “vacas locas”.

Para realizar el experimento, utilizaremos una parte de la secuencia de aminoácidos de un prión vacuno. Ésta es la secuencia de aminoácidos (36):

GENFTETDIKMMERVVEQMCITQYQRESQAYYQRGA

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Y esa su estructura 3D cuando el prión está plegado. El tipo de estructura se llama hélice alfa.

Reto a resolver: ¿cuál es el mínimo cambio en la secuencia de aminoácidos que provoca la pérdida de estructura del prión?

Las opciones son: eliminar o añadir aminoácidos. Para encontrar la solución óptima, utilizaremos AlphaFold (encontrarás las instrucciones aquí).

Nos distribuimos en grupos de 2-3 personas. Recomendamos que cada grupo realice 5 modificaciones (en función del tiempo, serán más o menos). Las combinaciones pueden ser diversas, teniendo en cuenta las siguientes variables:

• ¿Qué? Añadir o quitar aminoácidos
  • NOTA: en caso de añadir aminoácidos, se recomienda añadir repeticiones de un aminoácido concreto para obtener cambios más evidentes.
  • PISTA: Las glicinas (G) y las prolinas (P) tienen tendencia a romper las conformaciones de hélice alfa con mayor facilidad.
• ¿Dónde? Inicio, medio o final de la secuencia de aminoácidos.
• ¿Cuántos? Número de aminoácidos.
  • En caso de añadir, a partir de 2 aminoácidos
  • En caso de eliminar, a partir de 5 aminoácidos
• ¿Cómo? Usando la herramienta de predicción de estructura de AlphaFold

Como buen científico o científica, debes anotar todos los cambios y resultados en una ficha: la secuencia original, las secuencias que has probado, los cambios que has hecho (añadir/eliminar, dónde y cuántos aminoácidos) y los resultados que has obtenido (puedes pegar una captura de pantalla de la imagen del plegamiento resultante).

Podéis responder a las siguientes preguntas:

• ¿Has sido suficiente el cambio para impedir que se pliegue correctamente la proteína?
• ¿Hay algún cambio que haya hecho romper la espiral? ¿Cuáles?
• Si ha habido algún cambio, ¿cuál ha sido el mínimo cambio que ha permitido desestructurar el prión?

Comparte con el resto de grupos los resultados. Consensuad entre todos la secuencia óptima, es decir, aquella que con el mínimo de cambios que consigue desestructurar el prión.

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Somos un grupo de biotecnólogas y biotecnólogos que queremos evitar que un virus infecte a una bacteria. Los virus que infectan bacterias se llaman bacteriófagos. En este vídeo puedes ver cómo lo hacen (del minuto 1:51 al 2:31).

Una vez que el virus se posiciona sobre la membrana de la bacteria, la perfora con una especie de muelle que tiene en la parte inferior. Este muelle tiene una estructura en forma de alfa hélice (un tipo de plegamiento de proteínas en forma de espiral).

Una de las maneras de evitar que este virus penetre la bacteria y la infecte es destruyendo este muelle o impidiendo que se forme. Si las proteínas no consiguen plegarse bien para formar el muelle, el virus no puede hacer su función y, por lo tanto, la bacteria no se infectará.

Para evitar que se pliegue correctamente es necesario modificar la secuencia de aminoácidos que forman el muelle, eliminando, añadiendo o cambiando algunos de los aminoácidos de la secuencia por otros.

Esta es la secuencia de 11 aminoácidos:

VTQLAIDRTIA

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Y esta es su estructura en 3D cuando la proteína está plegada:

En grupos de 2-4 personas debéis encontrar la manera de romper con esta estructura de alfa hélice, pero haciendo el mínimo número de cambios posibles. Las opciones son eliminar, añadir o cambiar 1, 2, 3, 4 o 5 aminoácidos.

Reto a resolver: ¿Qué cambios en la secuencia provocan el "rotura" de la estructura del "muelle"?

Sólo puedes cambiar uno de los aminoácidos de la secuencia por otro en cada intento.

Para ello deberás realizar el cambio en la secuencia y predecir qué estructura tendrá, utilizando el programa AlphaFold (sigue el enlace).

IMPORTANTE: debes tener en cuenta que cada cambio que se prueba tarda unos 2-3 minutos en llevarse a cabo, pero en función de la conexión y los ordenadores puede tardar más.

Pista: algunos aminoácidos son similares entre sí en cuanto a sus propiedades. Es decir, a pesar de ser diferentes aminoácidos, tienen la misma función (o similar) y, por tanto, no afectan a la estructura de la proteína. Ayúdate de la tabla de aminoácidos para decidir cuáles eliminar, añadir o cambiar a la secuencia que debe modificar.

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Explicación: en función de las cadenas laterales de los aminoácidos, y sus propiedades químicas, los aminoácidos se clasifican en diferentes grupos. Dentro de cada grupo, los aminoácidos que forman parte son lo que se llaman aminoácidos similares, ya que sus propiedades son similares, por eso se encuentran en el mismo grupo. Como sea, esta cadena lateral tiene una importancia clave a la hora del plegamiento y conformación de las proteínas. Debido a las interacciones que puedan darse entre las cadenas laterales de aminoácidos cuando la proteína esté plegada, la posición de los aminoácidos en la secuencia determinará su conformación final. Por eso, los cambios de aminoácidos pueden afectar más o menos a la estructura final de la proteína. Si cambiamos un aminoácido por otro del mismo grupo, puede no alterar la conformación en 3D, puesto que tienen las mismas características (o similares). Fuente de información: artículo de la revista Nature.

Como buen científico o científica, debes anotar todos los cambios y resultados obtenidos: la secuencia original, las secuencias que has probado, los cambios que has realizado y los resultados que has obtenido.

• ¿Hay algún cambio que haya hecho romper el muelle? ¿Cuáles?
• ¿Qué cambios no han realizado ningún cambio en la estructura? ¿Por qué?

Compartimos con el resto de grupos los resultados y consensuamos entre todos la respuesta al reto.

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Antes de empezar:

Esta propuesta es para hacerla después de alguna de las anteriores y se basa en la generación al azar de estructuras de proteínas para fomentar la creatividad, como quien utiliza barro para moldear.

Contexto

Somos bioartistas que hibridamos arte y ciencia, y estamos diseñando una exposición artística a partir de secuencias de proteínas. Una vez obtenemos las proteínas plegadas, las fabricamos y miramos qué hacen dentro de una célula.

Gracias al programa AlphaFold, podemos probar plegamientos de proteína a partir de secuencias de aminoácidos creadas por nosotros.

Hoy buscaremos nuevas proteínas para la exposición. Cuando encontremos esa secuencia o estructura que nos inspire, podemos crear un producto final, como una entrada en un blog o una impresión 3D de la estructura.

Reto a resolver: ¿Podemos utilizar la creatividad para crear secuencias de proteína y predecir su estructura usando la herramienta AlphaFold?

Para ello deberás predecir qué estructura tendrá la secuencia, utilizando la Herramienta AlphaFold (sigue el enlace).

En esta tarea se pueden probar diferentes estrategias. Por ejemplo:

• ¿Qué ocurre si ponemos repeticiones del mismo aminoácido seguido como WWWWWW?
• ¿Qué ocurre si ponemos repeticiones de 3 o 4 aminoácidos seguidos como AYKTAYKTAYKT?
• ¿Qué ocurre si escribimos una palabra?
• ¿Qué pasa si escribimos una frase (inventada o parte de un libro)?Nota: en este caso deberemos eliminar todos los espacios y los signos de puntuación.
• ¿Qué ocurre si escribimos nuestro nombre?

IMPORTANTE: debe tenerse en cuenta que cada cambio que se prueba tarda unos 2-3 minutos en obtenerse, pero en función de la conexión y los ordenadores puede tardar más.

Como un buen bioartista, debes anotar las secuencias que has probado y los resultados que has obtenido (podéis hacer una captura de pantalla de la imagen del plegamiento resultante).

Compartimos con el resto de grupos los resultados.

A partir de aquí, puedes preparar un producto final en el que se explique la obra que has creado, imprimirla a lo grande, con impressoras 3D, moldearla con otro material, etc. Cada grupo, a partir de la estructura generada, puede crear una obra artística en el formato y con los materiales que considere adecuados. ¡Al final podéis mostrar las obras en una exposición!

Para coger ideas, puedes visitar algún museo de arte moderno o directamente el PDB Art. También existen otros ejemplos de protein paintings, como el del PNAS.

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Este taller es el producto de un proyecto de aprendizaje que hemos hecho los miembros del Institut BIST con el Institut Angeleta Ferrer. Se trata de un taller presentado en la SteamConf2022 que intenta dar respuesta a la pregunta motor del proyecto: ¿cómo podemos ayudar a los y las docentes a desarrollar el pensamiento crítico del alumnado?

Dra. Joana Fort

Doctora en biomedicina, es investigadora en el IRB Barcelona y profesora de la UB.

Tuvo la idea científica del Taller de Proteinoflexia.

Dra. Elena Meléndez

Doctora en biomedicina, responsable de Participación Ciudadana y Educación Científica en el IRB Barcelona. Se ha encargado de que la incitativa encaje en el aula.

Àlex Argemí

Biólogo y Responsable de Comunicación del​​​​​​​ ICN2. Ha participado como facilitador de la acción.

Eduscopi

Empresa de comunicación y educación científica que nos ha acompañado en este viaje.