Proteínas y superordenadores

La maquinaria de la vida depende de las proteínas, que desempeñan funciones vitales en el organismo: contribuyen a mantener la estructura de la célula, son las responsables de los trabajos mecánicos celulares, actúan como agentes decisivos en la comunicación interna y externa de la célula, regulan la expresión de genes, constituyen los elementos clave del sistema inmune y actúan como catalizadores de las reacciones que tienen lugar en el organismo.

Las proteínas son moléculas orgánicas compuestas por decenas, centenas e incluso miles de aminoácidos organizados en largas cadenas, que se pliegan sobre sí mismos en estructuras específicas. Durante décadas, los científicos han sabido que la secuencia de aminoácidos que conforma una proteína determina su estructura y funcionalidad. Lo que aún no se sabe es qué parte de la información contenida en el interior de esta secuencia produce la propia estructura.

Entender los mecanismos de fabricación de proteínas, cómo y por qué se pliegan de un modo específico, cómo actúan e interactúan, y en última instancia, comprender mejor cómo funcionan es uno de los retos más apasionantes que tiene ante sí la biomedicina. Ciertamente, la biocomputación, con los supercomputadores como herramientas clave, está permitiendo desvelar muchos de los enigmas todavía abiertos sobre estos actores esenciales para la vida.

La flexibilidad de las proteínas y la técnica de dinámica molecular

En los últimos años, los científicos han descubierto que la función de la proteína viene determinada tanto por su estructura estable como por los cambios conformacionales ocurridos en ésta en función de estímulos externos. Es lo que se denomina flexibilidad molecular de la proteína. Así, entender cómo y porqué cambian su conformación y reaccionan a alteraciones de su entorno es de vital importancia en el intento de entender el funcionamiento de las biomoléculas.

Describir esta flexibilidad es algo muy complejo a nivel experimental y es necesario recurrir a técnicas de simulación por ordenador que permitan describir el movimiento de todos los átomos de las proteínas a lo largo del tiempo. La dinámica molecular (DM) es la técnica de simulación más eficaz que existe y uno de los tipos de cálculo que más recursos de supercomputación está demandando hoy en todo el mundo.

El equipo dirigido por Modesto Orozco, investigador del IRB Barcelona, líder del grupo de Bioinformática y Modelización Molecular y director del programa de Biología Computacional en el Barcelona Supercomputing Center, está creando una gran “biblioteca” de 1.900 proteínas en movimiento con la ayuda del supercomputador MareNostrum. La base de datos, denominada MODEL, permitirá a los usuarios observar como las estructuras tridimensionales de proteínas representativas se mueven en su entorno. Así, el supercomputador MareNostrum, el más potente de Europa y el quinto del mundo, es el instrumento clave para realizar el que hasta ahora es uno de los proyectos de mayor envergadura sobre dinámica de proteínas en el mundo.

Un impulso para el diseño de fármacos

La información sobre la estructura y la dinámica de proteínas es fundamental para el diseño a nivel molecular de fármacos basados en estructura que sean capaces de interactuar con la proteína elegida para anular su función biológica.

Los científicos creen que en los próximos cinco años la capacidad de los superodenadores y los programas de cálculo habrán evolucionado lo suficiente para obtener información a escala real de las actividades de plegamiento, desplegamiento, dinámica e interrelación ligandos-proteínas. Estos avances permitirán comprender las bases moleculares de enfermedades asociadas a proteínas plegadas de manera anómala, como por ejemplo, enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer, el mal de las vacas locas, o algunos tipos de cáncer.

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