Durante los últimos tiempos, acuciados por el bombardeo de información sobre la pandemia, escuchamos continuamente referencias a palabras como antígenos o anticuerpos. Nos cuentan que los virus utilizan ciertas moléculas para unirse a las células que infectan; que las células tienen receptores que se acoplan a ellas; que ciertas moléculas de los virus, que reciben el nombre de antígenos, son detectadas por el sistema inmune y éste genera otras moléculas, los anticuerpos, que se unen a los antígenos para neutralizarlos, etc. Al final, todo esto viene a ser una guerra química en la que participan infinidad de sustancias que, en su mayoría caen dentro de la categoría genérica de proteínas. Comprender cómo son esas proteínas, su composición, su forma tridimensional y sus propiedades químicas es fundamental para entender su funcionamiento y elaborar medicinas o vacunas que permitan luchar contra los microorganismos invasores causantes de enfermedades.

Ahora bien, desentrañar la estructura íntima de cualquier proteína es un reto impresionante que requiere sofisticadas y complejas técnicas de análisis. No en vano, las proteínas son macromoléculas, es decir están compuestas por muchísimos átomos, agrupados a su vez en unidades intermedias, los aminoácidos, que pueden ser de 20 tipos distintos. Cada molécula de proteína está formada por una cadena inmensamente larga en la que se suceden los aminoácidos como si fueran las cuentas de un collar molecular. Esa larguísima cadena se pliega formando una especie de ovillo en tres dimensiones, cuya forma determina su funcionamiento.

Hoy, en Hablando con Científicos, contamos con una persona que se enfrenta al reto de descubrir los secretos de las proteínas utilizando una técnica que se conoce como crio-microscopía electrónica. Javier Vargas Balbuena, investigador Ramón y Cajal en el departamento de óptica de las Universidad Complutense de Madrid, cuenta durante la entrevista cómo la congelación rápida de una disolución que contiene la proteína purificada permite obtener una muestra sólida de hielo amorfo que facilita el estudio con un microscopio electrónico. El procedimiento permite obtener muchísimas imágenes de la muestra, un volumen enorme de información que debe ser tratado con algoritmos informáticos y procedimientos típicos de la Inteligencia Artificial.

Durante décadas, le técnica más utilizada para estudiar la composición de las proteínas fue la cristalografía de rayos X. Esta técnica exige que la muestra a estudiar esté formando un cristal que, al ser iluminado con rayos X, permite reconstruir su forma a partir de los patrones reveladores de la luz difractada por el cristal. La cristalografía de rayos X produce estructuras de alta calidad, pero no es fácil de usar con todas las proteínas, Como dice Javier Vargas durante la entrevista, la ciencia está llena de historias de terror en las que estudiantes de doctorado han pasado años intentando cristalizar una proteína sin lograrlo. Algunas pueden tardar meses o años en cristalizar y otras nunca cristalizan en absoluto. La criomicroscopía electrónica no requiere cristales de proteína, lo que es una ventaja, pero en su contra tenía una baja resolución, por lo que algunos científicos la descartaron y la denominaron con el nombre despectivo de blobología.

No obstante, los avances recientes han permitido que la criomicroscopía electrónica alcance resoluciones de hasta 3 Angstrom (1 Å= 1.10-10 m) lo que posibilita obtener imágenes de alta resolución de proteínas y conocer tanto su forma como su función. Con esta técnica se pudo obtener en pocas semanas la fórmula de la proteína de las espículas con las que el coronavirus SARS-Cov-2 se une a las células humanas. Esa proteína contiene más de 1100 aminoácidos y el conocimiento de su composición y forma ha sido fundamental para la elaboración de las vacunas y la investigación de fármacos que impidan su unión del virus a las células. Ahora, la criomicroscopía electrónica unida a las técnicas más convencionales como la cristalografía de rayos X o la resonancia magnética abren las puertas al estudio de otras muchas enfermedades que azotan a la humanidad.

El desarrollo de nuevos fármacos y vacunas exige el conocimiento de la fórmula y estructura tridimensional de las proteínas, un proceso que hasta ahora era lento y costoso que puede llevar más de 10 años de investigación en algunos casos. Las técnicas de criomicroscopía, unida al desarrollo y mejora de los métodos computacionales, permiten en muchos casos enormes reducciones de tiempos y costes en el desarrollo de nuevos medicamentos. Obviamente, como se está demostrando durante la pandemia actual, el ahorro de tiempo supone un gran beneficio en vidas humanas y recursos.

Os invito a escuchar a Javier Vargas Balbuena, investigador Ramón y Cajal en el departamento de óptica de la Facultad de Ciencias Físicas de las Universidad Complutense de Madrid donde desarrolla métodos computacionales de procesamiento de imagen para la criomicroscopía electrónica.