Científicos desarrollan una cascada enzimática artificial en 3-D que imita una importante vía bioquímica

Mediante el empleo de moléculas de ADN como un andamio arquitectónico, científicos de la Universidad Estatal de Arizona en colaboración con colegas de la Universidad de Michigan, ambas instituciones en Estados Unidos, han desarrollado una cascada enzimática artificial en 3-D que imita una importante vía bioquímica que podría ser relevante para futuras aplicaciones biomédicas y energéticas.

Los hallazgos, publicados en la revista 'Nature Nanotechnology', fueron dirigidos por el profesor de la Universidad de Arizona Hao Yan, en cuyo equipo de investigación estaban los investigadores del Instituto de Biodiseño Jinglin Fu, Yuhe Yang, Liu Minghui, Yan Liu y Neal Woodbury junto con sus colegas el profesor Nils Walter y el becario postdoctoral Alexander Johnson-Buck de la Universidad de Michigan.

Los científicos en el campo de la nanotecnología de ADN, que se aprovechan de las propiedades de unión de los componentes químicos del ADN, giran y autoensamblan ADN para formar estructuras en 2 y 3 dimensiones cada vez más imaginativas con posibles aplicaciones médicas, electrónicas y energéticas.

En este último avance, el equipo de investigación intentó imitar enzimas fuera de los confines de la célula. Estas enzimas aceleran las reacciones químicas, utilizadas en nuestros cuerpos para la digestión de los alimentos en azúcares y energía durante el metabolismo humano, por ejemplo.

'Miramos la naturaleza en busca de inspiración para construir sistemas moleculares artificiales que imiten las sofisticadas maquinarias a nanoescala desarrolladas en sistemas biológicos vivos y diseñamos racionalmente nanoandamios moleculares para lograr el biomimetismo a nivel molecular', describe Yan, que ocupa la cátedra Milton Glick en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Arizona y dirige el Centro de Diseño Molecular y Biomimetismo en el Instituto de Biodiseño.

Con las enzimas, todas las piezas móviles deben estar estrechamente controladas y coordinadas, de lo contrario, la reacción no funcionará. Las partes móviles, que incluyen moléculas como sustratos y cofactores, caben en un complejo bolsillo enzimático como una pelota de béisbol en un guante y, una vez que todas las partes químicas han encontrado su lugar en el bolsillo, las energéticas que controlan la reacción vuelven a ser favorables y rápidamente hacen que se produzca la química.

Cada enzima libera su producto a otra enzima para llevar a cabo el siguiente paso en una vía bioquímica en el cuerpo humano. Para el nuevo estudio, los autores eligieron un par de enzimas universales, glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH) y malato deshidrogenasa (MDH), que son importantes para la biosíntesis, fabricando los aminoácidos, las grasas y los ácidos nucleicos esenciales para toda la vida.

Por ejemplo, en los defectos encontrados en la vía que causa anemia en humanos. 'Las enzimas deshidrogenasa son particularmente importantes, ya que suministran la mayor parte de la energía de una célula --subraya Walter--. El trabajo con estas enzimas podría dar lugar a futuras aplicaciones en la producción de energía verde, como las pilas de combustible que utilizan biomateriales'.

En la vía, G6PDH utiliza el sustrato de glucosa del azúcar y un cofactor llamado NAD para despojar a átomos de hidrógeno de la glucosa y transferir la siguiente enzima, MDH, para seguir y hacer el ácido málico y generar NADH en el proceso, que se utiliza como cofactor clave para la biosíntesis. Rehacer este par de enzimas en el tubo de ensayo y tener que trabajar fuera de la célula es un gran reto para la nanotecnología de ADN.

Para afrontarlo, lo primero que hicieron fue un andamio de ADN que se asemeja a varios rollos de toallas de papel pegadas entre sí. Mediante el uso de un programa de ordenador, los investigadores fueron capaces de personalizar los bloques de construcción químicos de la secuencia de ADN de manera que el andamio se autoensamblara. A continuación, las dos enzimas se unen a los extremos de los tubos de ADN.

En medio del andamio de ADN, fijaron una sola hebra de ADN, con el NAD+ atado al final como una bola y una cadena. Yan se refiere a esto como un brazo giratorio, que es largo, flexible y lo suficientemente recto para balancearse hacia adelante y hacia atrás entre las enzimas.

Una vez que el sistema se fabricó en un tubo de ensayo mediante el calentamiento y el enfriamiento del ADN, que lleva al autoensamblaje, se añadieron las partes de la enzima. Confirmaron la estructura usando un microscopio de alta potencia, llamado AFM, que puede ver a nanoescala, mil veces menor que la anchura de un cabello humano.

Al igual que los arquitectos, los científicos primero construyeron un modelo a escala real para que pudieran probar y medir la geometría y las estructuras espaciales, incluyendo en su configuración un tinte fluorescente pequeño unido al brazo oscilante. Si se produce la reacción, se puede medir una señal de baliza de color rojo que emite el tinte, pero en este caso, a diferencia de una señal de tráfico, una luz roja significa que la reacción funciona.

A continuación, probar el sistema enzimático y vieron que funcionaba de la misma manera como una cascada enzimática celular, además de medir el efecto cuando se varía la distancia entre el brazo oscilante y las enzimas. Los investigadores detectaron que había un punto, a 7 nm, donde el ángulo del brazo era paralelo a la par de la enzima.

Con un solo brazo oscilante en el sistema de tubo de ensayo que funciona igual que las enzimas celulares, decidieron añadir más brazos, poniendo a prueba los límites del sistema con hasta cuatro brazos adicionales. Así, fueron capaces de mostrar que a medida que se añade cada brazo, G6PDH pudo mantener el ritmo para generar aún más productos, mientras que MDH había llegado al máximo tras sólo dos brazos oscilantes.

'El revestimiento de las enzimas a lo largo de una línea de montaje diseñada igual que Henry Ford para fabricar piezas de automóviles es particularmente satisfactorio para alguien que vive cerca de la ciudad del motor de Detroit', celebra Walter. El trabajo también abre un futuro brillante donde las vías bioquímicas pueden replicarse fuera de la célula para desarrollar aplicaciones biomédicas como métodos de detección para las plataformas de diagnóstico.