Pinzas ópticas para entender la mecánica de las moléculas

La tecnología de pinzas ópticas permite estudiar y manipular mecánicamente moléculas individuales; de esta forma, se aprende sobre los procesos biológicos evitando las posibles conclusiones erróneas que se derivan del efecto de promedio al trabajar con muchas moléculas.

Sonia Moreno | 19/03/2012 00:00

Desde hace un par de décadas hay laboratorios que disponen de herramientas para manipular mecánicamente las moléculas de forma individual; así, mediante las llamadas pinzas ópticas, basadas en el láser y gracias a un microscopio molecular de fuerzas, se puede atrapar una molécula de ADN y jugar con ella para estudiar su comportamiento en procesos fundamentales de la biología, como la transcripción, la replicación y la transducción. Con estas sofisticadas técnicas, los científicos pueden, por ejemplo, tomar una molécula de ADN y desenrollarla para bajar la tensión y estudiar cómo se repliega.

El laboratorio de Carlos Bustamente, catedrático de Bioquímica, Biofísica y Biología Estructural de la Universidad de California en Berkeley, es un grupo pionero en la aplicación de estas herramientas a los sistemas biológicos. Sobre sus líneas de investigación, el profesor Bustamante ha centrado la XIII Lección Conmemorativa en honor de Eladio Viñuela, que ha impartido en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-Universidad Autónoma), en Cantoblanco (Madrid).

Nivel inédito
"La naturaleza de estos experimentos consiste en estudiar una sola molécula, no billones de ellas en un tubo de ensayo. Nos enfrentamos a una sola como la maquinaria capaz de convertir energía química en energía mecánica, en fuerzas, y estudiamos ese proceso en un nivel inédito, lo que nos permite aprender con detalle su funcionamiento".

Con estas sofisticadas técnicas es posible, por ejemplo, tomar una molécula de ADN y desenrollarla, someterla a tensión y estudiar su repliegue

En concreto, Bustamante ha aludido a los trabajos que lleva a cabo sobre el mecanismo por el cual el ADN del virus bacteriófago phi29 es empaquetado dentro de la cabeza de la partícula viral mediante un motor molecular, denominado GP16. "Se trata de un anillo pentamérico, conformado por cinco ATPasa, cuya función es reconocer al ADN del virus phi29 y generar el empaquetado en la cápside vírica. En estos experimentos, en los que tomamos un solo virus y una sola molécula de ADN, vemos que el anillo de ATPasa actúa como parte del motor molecular del virus". Siguiendo con el símil del motor, la ATPasa serían los pistones, que hacen posible la aparición de la energía mecánica.

"En este nivel, el motor molecular puede generar fuerzas altas, hasta varias decenas de piconewtons". Un newton equivaldría al peso de una manzana en la superficie terrestre, mientras que un piconewton lo haría al peso de un glóbulo rojo.
"Las máquinas que hemos desarrollado tienen una sensibilidad que permite medir no ya un piconewton, sino un femtonewton (10-15)", puntualiza.

Estos experimentos emplean al virus phi29, uno de los modelos de investigación en el campo de la biología molecular, gracias a la labor iniciada hace muchos años por los científicos Eladio Viñuela y Margarita Salas en el Centro de Biología Molecular de Madrid. El fago phi29 infecta sólo a la bacteria grampositiva Bacillus subtilis, pero desde este terreno de la ciencia básica puede llegarse a la aplicación biomédica, como apunta Bustamante.

Grandes posibilidades
"Por lógica, entender cómo funcionan normalmente los procesos arroja luz al mecanismo que funciona mal. Muchos virus humanos empaquetan el ADN de igual manera que el bacteriófago phi29, como el virus del herpes, el de la polio y el adenovirus. Si comprendemos bien cómo funcionan los motores moleculares, podemos plantear el desarrollo de fármacos que bloqueen el motor y de esta forma conseguir un antiviral que provoque la aparición de partículas virales sin ADN y, por tanto, sin capacidad infectiva".

Las herramientas desarrolladas arrojan una sensibilidad capaz de medir no ya en piconewtons (el peso de un glóbulo rojo), sino en femtonewtons

Las posibilidades que ofrecen estas técnicas se amplían a medida que se perfeccionan; el científico fantasea con un aparato que a la vez que permite manipular una única molécula pueda hacer también espectroscopia de fluorescencia.

la capacidad correctora de la polimerasa

En 2002, el profesor Carlos Bustamante colaboró en la introducción de la primera máquina de pinzas ópticas de España, en el Centro Nacional de Biotecnología, en Madrid, junto con los investigadores Ricardo Arias y Borja Ibarra. Ahora ambos trabajan con esta tecnología en moléculas individuales y con buenos resultados, comenta Bustamante. Entre los estudios que realizan, destaca el análisis de la polimerasa de ADN, una enzima crítica, puesto que desempeña la copia de moléculas de ADN, proceso en el que un error supone una mutación; a menudo, la polimerasa es capaz de detectar el error cometido y desandar su camino para corregirlo. "El mecanismo por el cual la polimeresa copia y regresa para corregir errores (exonucleosis) resulta de gran interés, pues supone un punto clave en el procesamiento fidedigno de la información, que, de no producirse, puede causar mutaciones carcinógenas. En el proceso mediante el cual la enzima cambia su actividad de polimerasa a exonucleasa, puede influir la tensión a la que se somete el ADN".