Diseño y caracterización estructural de sistemas minimizados para el estudio de interacciones biomoleculares mediante RMN

Resumen

Los procesos moleculares de los organismos vivos se regulan por una red de grandes complejos que interaccionan entre sí. Los mecanismos de reconocimiento biomolecular entre cada uno de ellos son esenciales para dar lugar al complejo activo y biológicamente funcional. Uno de los retos actuales en Biología es comprender a fondo los detalles específicos que definen estos procesos como el conocer cómo y cuándo ocurren, qué fuerzas están en juego, el equilibrio y la dirección de estos mecanismos, etc. Una de las estrategias para esclarecer estas incógnitas es la caracterización de estos sistemas a escala atómica, siendo extremadamente complicado su estudio a ese nivel de detalle. Una aproximación realista para el estudio de un sistema tan complejo es la caracterización experimental de versiones simplificadas empleando sistemas modelo. El objetivo planteado en esta Tesis ha sido la descripción de sistemas biológicos completos empleando la información estructural y funcional de modelos minimizados diseñados al respecto. Por ello, se ha utilizado fundamentalmente la espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) y otras técnicas biofísicas y computacionales. Hemos aplicado este enfoque en el estudio de cuatro sistemas concretos. De tal modo, las interacciones péptido-péptido y péptido-micela de los modelos simplificados se utilizaron para describir los mecanismos de reconocimiento de sus respectivos sistemas proteína-proteína y proteína-membrana. Nuestros resultados confirman que la espectroscopía de RMN es una herramienta excelente para describir a escala atómica las interacciones moleculares débiles y en ocasiones transitorias de estos complejos. Por su interés biológico, nos hemos centrado en la identificación de las bases estructurales de: i) el reconocimiento de las proteínas del ciclo celular TACC3 y XMAP, ii) la glicoproteína gp41 de la envuelta del virus VIH, que participa en los procesos iniciales de infección, iii) variantes del péptido antimicrobiano protegrina-1, y iv) la alfa-feromona del hongo patógeno Fusarium oxysporum, que es un péptido corto implicado en la infección y propagación. En todos los casos, hemos propuesto los respectivos modelos moleculares que representan las interacciones proteína-proteína o proteína-membrana objeto de estudio. Para el sistema TACC3 y XMAP, concluimos que para que la interacción suceda, las estructuras de los péptidos modelo del complejo deben estar preformadas, y la interacción ocurre sin necesidad de alcanzar la proporción molecular de la forma nativa. Este es un nuevo modelo de interacción que podría describir las etapas iniciales en los eventos de reconocimiento que ocurren durante la formación del complejo activo TACC3-XMAP. Los resultados de los péptidos derivados de la gp41 ofrecen información estructural y dinámica sobre los mecanismos de fusión entre las membranas del virus del VIH y la célula. Esta información puede resultar de interés para el diseño de nuevos péptidos inmunogénicos como dianas en el desarrollo de vacunas. Los datos estructurales de las variantes del péptido protegrina-1 dan información sobre el mecanismo de interacción de la protegrina-1 con la membrana biológica. Lo cual puede ser relevante para el diseño racional de fármacos con potencial para solventar los problemas por resistencia a antibióticos de determinados microrganismos. Finalmente, los resultados experimentales de la alfa-feromona de F. oxysporum derivan de los únicos ensayos realizados hasta la fecha sobre este péptido. A partir de los datos obtenidos se ha elaborado un modelo posible de la interacción entre el péptido y la bicapa lipídica y se proponen distintas funciones biológicas en su forma oxidada o reducida. Esta información puede ser útil en el futuro para el control de plagas y el tratamiento médico de infecciones en personas y animales.