Desde hace algún tiempo se ha establecido la importancia que las proteínas tienen para la vida. Buena parte de la estructura de las células de los seres vivos está formada por proteínas y la parte de esa estructura que no es proteína ha sido producida mediante enzimas que sí lo son. Las enzimas son responsables de prácticamente todas las transformaciones químicas que ocurren en las células, y existen unas 100 mil proteínas diferentes en nuestros cuerpos.
Cuando esas proteínas son llevadas a ebullición con un ácido o una base diluidos las proteínas se hidrolizan dando lugar a compuestos más pequeños llamados aminoácidos. Un hecho sorprendente es que todas las proteínas hidrolizadas dan lugar a solamente 20 aminoácidos, lo que significa que todas las proteínas se forman mediante combinaciones de 20 compuestos básicos. Esto es realmente maravilloso, e intrigante. En pocas palabras, esto quiere decir que básicamente todo lo que soporta la vida en este planeta está formado por cadenas de aminoácidos, integradas a partir de combinaciones de sólo 20 compuestos básicos.
Para facilitar el estudio de las proteínas se ha adoptado una notación que los científicos de ésta área usan, asignándoles un código de una letra a cada uno de los aminoácidos. Así por ejemplo, tenemos que la alanina es representada por una “A”, la arginina por una “R”, la asparagina por una “N” y así sucesivamente. Con este código, un trozo de una proteína puede describirse por una secuencia como la siguiente: CGGSLIREDSSFVLTAAHC. Una molécula completa de una proteína puede tener una gran cantidad de aminoácidos, por ejemplo, las levaduras como las que producen la cerveza tienen en promedio unos 466 aminoácidos, lo que significa que es posible obtener 20466 combinaciones. ¡Este número es mucho más grande que el número total de átomos en el universo! Abrumador, sin duda. Si nosotros programáramos una computadora para generar todas las posibles combinaciones y generar cada una de estas combinaciones requeriera de un micro segundo, este proceso tardaría del orden de 6.4 x 10592 años. ¡Mucho más que la edad del universo!, estimada en unos 11 billones de años.
Sin embargo, lo maravilloso de las proteínas no termina ahí. Si bien es cierto que las proteínas son moléculas lineales de aminoácidos unidas mediante un tipo especial de enlaces, cuando una molécula de este tipo es sintetizada, inmediatamente inicia un proceso de reacomodo como el que ocurriría si tomáramos un hilo y lo “hiciéramos bolita”. A este proceso se le conoce como el “plegamiento de la proteína”, y es de una importancia fundamental por la siguiente razón. Si nos imaginamos la cadena de aminoácidos, uno tras otro, cada uno de esos aminoácidos tiene elementos químicos colocados en una cierta estructura. A la hora de plegar esa cadena, algunos de esos elementos quedarán acomodados al interior de la “madeja”, mientras que otros quedarán por fuera. Dependiendo de cuáles quedaron dentro y cuáles quedaron fuera, la proteína actuará como atractor o repulsor de otros elementos químicos. Dicho en otras palabras, la misma proteína puede tener diferentes funciones químicas dependiendo de cómo se pliegue. La estructura tridimensional de la proteína es la que define la función química de la misma y no solamente la secuencia de aminoácidos. Pero lo más interesante de todo esto es que aún no es claro para los científicos cómo es que la proteína “sabe” como plegarse de manera que su función sea la apropiada. Por supuesto que esto ha generado una serie de hipótesis atrayendo la atención de muchos investigadores. Todos ellos modelan de alguna manera las moléculas de proteínas y simulan en computadoras cómo ocurriría el proceso de plegamiento, para luego analizar la función química de la molécula y compararla con resultados experimentales.
Responder a la pregunta de “cómo se pliega una molécula de una proteína dada” es sin duda uno de los retos de la ciencia actual, y los científicos en computación tienen un papel primordial en la búsqueda de la respuesta. Es claro que hacer búsquedas exhaustivas, es decir probar todas las combinaciones posibles no es factible, porque el tiempo requerido sería muy grande, aún usando la supercomputadora más rápida conocida. Se requieren algoritmos eficientes para atacar este problema. Algunas de las propuestas actuales van por el lado de modelar la dinámica química de la molécula y luego simularla en la computadora, haciendo ciertas concesiones en el modelado, para volverlo práctico y resoluble en un tiempo razonable. Otras propuestas van más a la adaptación de métodos provenientes de otras áreas que pudieran tener una cierta afinidad con el problema del plegamiento de proteínas. Un caso que cae dentro de la última categoría consiste en utilizar métodos que se han empleado tradicionalmente para planificar los movimientos de un robot, con algunos resultados alentadores. Estos métodos tienen como ventaja que pueden manejar cadenas de gran longitud en tiempos razonables, dado que son métodos que se basan en la aleatoriedad. Por supuesto que no se ha dicho la última palabra en este tema, por lo que es posible y necesario proponer métodos diferentes para atacar el problema de plegamiento de moléculas de una proteína.
No es raro escuchar en diversos foros que la computación en el futuro tendrá cada vez una mayor convergencia con las ciencias naturales. Tanto en la inspiración que toman de éstas para resolver problemas (considérese el caso de la computación evolutiva o las redes neuronales artificiales) como en las herramientas que la computación provee a otras áreas (como la biología) para simular a través de la computadora procesos que ocurren en la naturaleza. El plegamiento de proteínas es un ejemplo del último caso y es uno en el que México pudiera destacar, dada la tradición que tiene en la investigación en medicina y la consolidación que ha ido adquiriendo en la computación.
*ITESM-Campus Guadalajara
