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NOTA DE PRENSA
La XX Escuela Internacional Nicolás
Cabrera y la Fundación BBVA
exponen avances en el enfoque que
los físicos aportan a la biología
molecular: el estudio de las células
vivas como si fueran máquinas

La XX Escuela Internacional Nicolás Cabrera, que se celebra esta
semana en Miraflores de la Sierra, Madrid, presenta técnicas que por
primera vez permiten estudiar individualmente moléculas dentro de las
células

Las nuevas técnicas permiten ver a las proteínas en movimiento, como si
fueran máquinas diminutas, buscar estrategias innovadoras para vencer
a los virus, o analizar el mapa de conexiones del cerebro humano
Madrid, 25 de julio de 2013.- Visualizar en vivo y en directo el movimiento de las
proteínas dentro de la célula; ser testigos del momento en que un virus
atraviesa la membrana celular; o crear un virus acorazado como estrategia
para -paradójicamente- vencerlo, son algunos de los logros que han hecho
posible las nuevas técnicas biofísicas para ver y/o actuar controladamente
sobre moléculas individuales. Una veintena de expertos de diez países
exponen en la XX Escuela Internacional Nicolás Cabrera, que se celebra esta
semana en Miraflores de la Sierra, Madrid, con la colaboración de la
Fundación BBVA, los avances más recientes del nuevo enfoque que desde la
física se está aportando al estudio de la biología molecular. Esta aportación es
posible gracias a nuevas y poderosas técnicas
y a acercamientos
innovadores, por ejemplo al considerar las células vivas como máquinas.
“La mayor parte de lo que sabemos en química y en biología procede de
trabajos que analizan miles de millones de entidades individuales -moléculas o
agregados moleculares-, y en los que el resultado que se obtiene viene a ser
una media. El desarrollo de técnicas que permiten acceder a las moléculas
individuales ha abierto la posibilidad de estudiar propiedades que no emergen
cuando lo que se estudia es una masa indiferenciada”, explican los
organizadores, del Instituto Universitario de Ciencias de Materiales Nicolás
Cabrera, de la Universidad Autónoma de Madrid.
Una de las técnicas que se presentan en esta edición es la microscopía de
fluorescencia con que Melike Lakadamyali, del Instituto de Ciencias Fotónicas
(ICFO), en Barcelona, ve lo que pasa dentro de las neuronas. Su peculiaridad
-que Lakadamyali considera “revolucionaria”- es que hace realidad la antigua
aspiración de la microscopía de luz visible: distinguir detalles más pequeños
que el propio haz de luz que ilumina la muestra, la llamada super-resolución. El
diámetro de la molécula de ADN es de unos 2 nanómetros -un nanómetro es
una millonésima de milímetro-; el de una proteína típica, de 10 nanómetros; y
la longitud de onda de la luz visible -el grosor del haz de luz- es de 400 a 800
nanómetros. La microscopía de súper-resolución mejora diez veces la
resolución de la microscopía óptica convencional, y permite ver las proteínas
individuales.
“Es como si hiciéramos zoom en los animales para ver el interior de sus células,
sus orgánulos, sus mitocondrias, y las proteínas dentro de las mitocondrias”, ha
explicado Lakadamyali. “La luz no es invasiva, nos permite trabajar con las
células en vivo y ver los procesos en directo. Así que… tenemos los actores, y
todo lo que necesitamos es encender la luz, poner a funcionar la cámara… y
ya podemos capturar la biología. Vemos los procesos mientras están
ocurriendo, desde el principio hasta el final, y eso es fantástico, podemos
estudiar un montón de procesos en la célula. Estamos aprendiendo sobre los
mecanismos fundamentales de la biología”.
Antes de llegar a Barcelona, en septiembre de 2010, Lakadamyali estudió con
estas técnicas el virus de la influenza en la Universidad de Harvard (EEUU). En
uno de sus últimos trabajos, portada el pasado febrero de la revista PNAS, su
grupo revelaba cómo se mueven las proteínas por la red de microtúbulos
fibrosos que integran el citoesqueleto de la célula. Ahora Lakadamyali
también aplica estas técnicas en neurociencia, al estudio del transporte de
proteínas dentro de las neuronas. “Adquirimos un conocimiento de tipo básico
que nos resultará fundamental para entender enfermedades psiquiátricas o
neurodegenerativas”, afirma.
Lo cierto es que estas técnicas por primera vez permiten penetrar en la
enmarañada red neuronal del cerebro, y aspirar a entender el cableado
cerebral en su conjunto: trazar el conectoma humano.
El avance de la miosina
Hay muchas más aplicaciones que derivan de la capacidad de observar
moléculas individuales. Por ejemplo se puede cambiar la perspectiva con que
se estudian los sistemas vivos: ¿y si un organismo fuera, en realidad, el resultado
de un sinfín de agentes microscópicos trabajando como máquinas diminutas?
Ahora es posible ver cómo una proteína lleva a cabo su trabajo. “Por ejemplo
la miosina, una proteína implicada en las contracciones musculares, se mueve
a impulsos, a medida que va quemando energía”, explica Pedro José de
Pablo, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM y
organizador de la Escuela.
Cada ruptura de la molécula de ATP –la moneda energética en los sistemas
vivos- equivale a un movimiento de la miosina. Esta visión física de los sistemas
biológicos pone de relieve el hecho de que el organismo funciona a base de
motores moleculares que se nutren de la conversión de energía química en
mecánica. En la Escuela se muestra el trabajo en esta área de Toshio Ando, de
la Kanazawa University, en Japón, que tras dos décadas de trabajo ha
desarrollado un microscopio que permite hacer películas de proteínas en
movimiento y estudiar así su funcionalidad. Su High Speed AFM -microscopio
de fuerzas atómicas de alta velocidad- ha recibido numerosos premios y es
cada vez más común en los laboratorios. El video de una proteína miosina
caminando ha sido de los más vistos en la revista Nature:
http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7320/extref/nature09450-s2.mov
http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7320/full/nature09450.html#suppl
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Nuevas armas contra los virus
También se abre la puerta ahora a una nueva manera de estudiar los virus e
incluso de combatirlos. Los investigadores han descubierto que las habilidades
de los virus dependen en gran medida de sus características mecánicas, en
concreto de la rigidez de su cubierta. Es el trabajo de Mauricio García-Mateu,
del Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, con el microscopio de fuerzas
atómicas -que distingue detalles en la escala de nanómetros-. Uno de sus
logros es la creación del virus con la cubierta más rígida, modificando
genéticamente el virus diminuto del ratón (MVM). Los investigadores han
demostrado que este virus se vuelve menos infectivo si su cápside se endurece,
porque así es más difícil que en ella se abran los poros por donde salen los
péptidos que infectan la célula: “Es como pasar de tener una pelota de goma
a una de plástico, más dura”, explica García-Mateu. Este trabajo se publicó el
año pasado en PNAS
(http://www.pnas.org/content/109/30/12028.full.pdf+html).
Otro de los trabajos del grupo tiene que ver con una nueva posible estrategia
para combatir la infección por VIH: impedir que las nuevas partículas virales
que se están formando dentro de la célula se autoensamblen: “Con los virus
ocurre una cosa impensable a escala macroscópica: sus partes se van
uniendo solas, es como si las piezas de un coche en la cinta de montaje, en la
fábrica, de repente se montaran ellas solas”, explica García-Mateu.
Ese proceso de autoensamblaje está siendo muy estudiado, y a García-Mateu
le interesa sintetizar pequeñas proteínas capaces de entorpecerlo: “Estamos
investigando la capacidad de diferentes péptidos sintéticos y otras moléculas
para inhibir el ensamblaje de la cápside del virus de la inmunodeficiencia
humana (HIV) y la infectividad del virión, con vistas al diseño de agentes antiHIV”.
También investiga con virus Urs Greber, de la Universidad de Zurich, en Suiza. Su
objetivo, usando técnicas que permiten visualizar la entrada del virus en la
célula, es dilucidar cómo los virus toman el control de la membrana celular y
acaban usando la maquinaria de la célula para reproducirse y, en última
instancia, diseminarse por el organismo. Greber es cofundador de una
empresa de biotecnología en California (EEUU) dedicada al desarrollo de
antivirales.
La energía de las moléculas
Otra de las preguntas que interesan a los investigadores es cuánto cuestan,
energéticamente, los cambios en las moléculas. Las nuevas técnicas permiten
analizarlo con mucho más detalle que hasta ahora, revelando incluso el coste
energético de los pasos intermedios de una reacción. La información es
importante porque determina, por ejemplo, cuán probable es un proceso
–siempre lo son más aquellos en que la molécula acaba en un estado más
barato energéticamente, por ejemplo-. También ayuda a averiguar los pasos
adecuados que deben seguir los investigadores para conseguir un
determinado resultado, desde abrir una doble cadena de ADN a aumentar la
eficiencia de una reacción. Félix Ritort, de la Universitat de Barcelona, es
experto en esta área.
Entre las técnicas que se presentan están también las pinzas ópticas, útiles
para atrapar y manipular moléculas individuales de ADN. Ulrich Keiser, del
Cavendish Laboratory en Cambridge University (Reino Unido), es experto en
pinzas ópticas, y las usa en combinación con nanoporos creados
artificialmente en membranas para estudiar moléculas individuales. En uno de
sus últimos trabajos, por ejemplo, Keyser ha desarrollado un método basado en
nanoporos -agujeros de entre uno y cien nanómetros de grosor en una
membrana- para secuenciar ADN muy rápidamente.
Hace poco más de 300 años Anton van Leeuwenhoek desvelaba la existencia
de un mundo vivo invisible a simple vista, con microscopios que distinguían
detalles de milésimas de milímetro. Dos siglos después Santiago Ramón y Cajal
dibujaba células individuales, neuronas, y describía la estructura del tejido
nervioso. Ahora los investigadores pueden ver la vida a la escala de
millonésimas de milímetro, e investigar individualmente sus ladrillos, las
proteínas.
Si desea más información, puede ponerse en contacto con el Departamento de
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