La biología estructural , tal como la define el Journal of Structural Biology , se ocupa del análisis estructural del material vivo (formado, compuesto y/o mantenido y refinado por células vivas) en todos los niveles de organización. Los primeros biólogos estructurales a lo largo del siglo XIX y principios del XX solo podían estudiar estructuras hasta el límite de la agudeza visual del ojo desnudo y a través de lupas y microscopios ópticos.
En el siglo XX, se desarrollaron diversas técnicas experimentales para examinar las estructuras tridimensionales de moléculas biológicas. Las técnicas más destacadas son la cristalografía de rayos X , la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica . Gracias al descubrimiento de los rayos X y sus aplicaciones a los cristales de proteínas, la biología estructural se revolucionó, ya que ahora los científicos podían obtener estructuras tridimensionales de moléculas biológicas con detalle atómico. [1] Asimismo, la espectroscopia de RMN permitió obtener información sobre la estructura y dinámica de las proteínas. [2] Finalmente, en el siglo XXI, la microscopía electrónica también experimentó una revolución drástica con el desarrollo de fuentes de electrones más coherentes, corrección de aberraciones para microscopios electrónicos y software de reconstrucción que permitió la implementación exitosa de microscopía crioelectrónica de alta resolución, permitiendo así el estudio de proteínas individuales y complejos moleculares en tres dimensiones con resolución de angstrom.
Con el desarrollo de estas tres técnicas, el campo de la biología estructural se expandió y también se convirtió en una rama de la biología molecular , la bioquímica y la biofísica que se ocupa de la estructura molecular de las macromoléculas biológicas (especialmente las proteínas , formadas por aminoácidos , ARN o ADN , formadas formada por nucleótidos , y membranas , formada por lípidos ), cómo adquieren las estructuras que tienen y cómo las alteraciones en sus estructuras afectan su función. [3] Este tema es de gran interés para los biólogos porque las macromoléculas llevan a cabo la mayoría de las funciones de las células , y sólo al enrollarse en formas tridimensionales específicas pueden realizar estas funciones. Esta arquitectura, la " estructura terciaria " de las moléculas, depende de manera complicada de la composición básica de cada molécula, o " estructura primaria ". A resoluciones más bajas, herramientas como la tomografía FIB-SEM han permitido una mayor comprensión de las células y sus orgánulos en 3 dimensiones, y de cómo cada nivel jerárquico de varias matrices extracelulares contribuye al funcionamiento (por ejemplo, en el hueso). En los últimos años también ha sido posible predecir modelos moleculares físicos de gran precisión para complementar el estudio experimental de estructuras biológicas. [4] Las técnicas computacionales, como las simulaciones de dinámica molecular, se pueden utilizar junto con estrategias empíricas de determinación de la estructura para ampliar y estudiar la estructura, conformación y función de las proteínas. [5]
En 1912 Max Von Laue dirigió rayos X al sulfato de cobre cristalizado generando un patrón de difracción . [6] Estos experimentos llevaron al desarrollo de la cristalografía de rayos X y su uso en la exploración de estructuras biológicas. [4] En 1951, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron patrones de difracción de rayos X para capturar la primera imagen del ácido desoxirribonucleico (ADN). Francis Crick y James Watson modelaron la estructura de doble hélice del ADN utilizando esta misma técnica en 1953 y recibieron el Premio Nobel de Medicina junto con Wilkins en 1962. [7]
Los cristales de pepsina fueron las primeras proteínas cristalizadas para su uso en difracción de rayos X, por Theodore Svedberg , quien recibió el Premio Nobel de Química en 1962. [8] La primera estructura de proteína terciaria , la de la mioglobina , fue publicada en 1958 por John Kendrew . [9] Durante este tiempo, el modelado de estructuras de proteínas se realizó utilizando modelos de madera de balsa o alambre . [10] Con la invención de software de modelado como CCP4 a finales de la década de 1970, [11] el modelado ahora se realiza con asistencia informática. Los desarrollos recientes en este campo han incluido la generación de láseres de electrones libres de rayos X , que permiten el análisis de la dinámica y el movimiento de moléculas biológicas, [12] y el uso de la biología estructural como ayuda a la biología sintética . [13]
A finales de la década de 1930 y principios de la de 1940, la combinación del trabajo realizado por Isidor Rabi , Felix Bloch y Edward Mills Purcell condujo al desarrollo de la resonancia magnética nuclear (RMN). Actualmente, la RMN de estado sólido se utiliza ampliamente en el campo de la biología estructural para determinar la estructura y la naturaleza dinámica de las proteínas ( proteína NMR ). [14]
En 1990, Richard Henderson produjo la primera imagen tridimensional de alta resolución de la bacteriorrodopsina mediante microscopía electrónica criogénica (crio-EM). [15] Desde entonces, la crio-EM se ha convertido en una técnica cada vez más popular para determinar estructuras tridimensionales de alta resolución de imágenes biológicas. [dieciséis]
Más recientemente, se han desarrollado métodos computacionales para modelar y estudiar estructuras biológicas. Por ejemplo, la dinámica molecular (MD) se usa comúnmente para analizar los movimientos dinámicos de moléculas biológicas. En 1975, se publicó en Nature la primera simulación de un proceso de plegamiento biológico utilizando MD. [17] Recientemente, la predicción de la estructura de las proteínas mejoró significativamente gracias a un nuevo método de aprendizaje automático llamado AlphaFold. [18] Algunos afirman que los enfoques computacionales están comenzando a liderar el campo de la investigación en biología estructural. [19]
Las biomoléculas son demasiado pequeñas para verlas en detalle incluso con los microscopios ópticos más avanzados . Los métodos que utilizan los biólogos estructurales para determinar sus estructuras generalmente implican mediciones de un gran número de moléculas idénticas al mismo tiempo. Estos métodos incluyen:
La mayoría de las veces los investigadores los utilizan para estudiar los " estados nativos " de las macromoléculas. Pero también se utilizan variaciones de estos métodos para observar cómo las moléculas nacientes o desnaturalizadas asumen o reasuman sus estados nativos. Ver plegamiento de proteínas .
Un tercer enfoque que adoptan los biólogos estructurales para comprender la estructura es la bioinformática para buscar patrones entre las diversas secuencias que dan lugar a formas particulares. Los investigadores a menudo pueden deducir aspectos de la estructura de las proteínas integrales de membrana basándose en la topología de la membrana predicha por el análisis de hidrofobicidad . Ver predicción de la estructura de proteínas .
Los biólogos estructurales han hecho importantes contribuciones a la comprensión de los componentes y mecanismos moleculares subyacentes a las enfermedades humanas. Por ejemplo, se han utilizado crio-EM y ssNMR para estudiar la agregación de fibrillas de amiloide, que están asociadas con la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y la diabetes tipo II . [20] Además de las proteínas amiloides, los científicos han utilizado crio-EM para producir modelos de alta resolución de filamentos tau en el cerebro de pacientes con Alzheimer que pueden ayudar a desarrollar mejores tratamientos en el futuro. [21] Las herramientas de biología estructural también se pueden utilizar para explicar las interacciones entre patógenos y huéspedes. Por ejemplo, las herramientas de biología estructural han permitido a los virólogos comprender cómo la envoltura del VIH permite que el virus evada las respuestas inmunes humanas. [22]
La biología estructural también es un componente importante del descubrimiento de fármacos . [23] Los científicos pueden identificar objetivos mediante la genómica, estudiar esos objetivos mediante la biología estructural y desarrollar fármacos que sean adecuados para esos objetivos. Específicamente, la RMN de ligando , la espectrometría de masas y la cristalografía de rayos X son técnicas comúnmente utilizadas en el proceso de descubrimiento de fármacos. Por ejemplo, los investigadores han utilizado la biología estructural para comprender mejor Met , una proteína codificada por un protooncogén que es un importante objetivo farmacológico en el cáncer . [24] Se han realizado investigaciones similares sobre objetivos de VIH para tratar a personas con SIDA . [23] Los investigadores también están desarrollando nuevos antimicrobianos para las infecciones por micobacterias mediante el descubrimiento de fármacos basado en la estructura. [23]
Medios relacionados con la biología estructural en Wikimedia Commons