Las proteínas son los componentes básicos de todos los seres vivos y existen en variedades prácticamente ilimitadas, cuyas estructuras, en su mayoría sumamente complejas, aún no se han determinado. Esas estructuras podrían ser clave para desarrollar nuevos fármacos o comprender procesos biológicos fundamentales.
Pero averiguar la disposición de los átomos en estas moléculas complejas y plegadas suele exigir conseguir que formen cristales lo bastante grandes como para observarlos en detalle; para muchas proteínas, esto es imposible o extremadamente difícil.
Ahora, una nueva técnica que están desarrollando investigadores del MIT y otras instituciones ofrece grandes perspectivas para obtener imágenes muy detalladas de proteínas individuales, por compleja que sea su estructura, sin necesidad de cristalizarlas. Los hallazgos fueron descritos en la revista Physical Review X por el estudiante de posgrado del MIT Ashok Ajoy, el investigador posdoctoral Ulf Bissbort, la profesora asociada de ciencia e ingeniería nucleares Paola Cappellaro y otros investigadores del MIT, la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur y la Universidad de Harvard.
La técnica aprovecha defectos microscópicos en la estructura cristalina del diamante, que pueden inducirse de forma controlada en el laboratorio. Estos defectos, llamados centros nitrógeno-vacante (NV), se producen cuando se incorporan átomos de nitrógeno a la estructura cristalina, cada uno en sustitución de un átomo de carbono en una red de diamante perfectamente espaciada.
Estas redes también pueden incluir vacantes naturales: imperfecciones en las que falta un átomo de carbono en su lugar habitual en la red. Cuando un átomo de nitrógeno y una vacante se encuentran, forman un centro NV, que puede aprovecharse para detectar la posición y las propiedades —en concreto, los estados de espín— de protones y electrones en átomos situados muy cerca de ellos.
Esto se logra iluminando la superficie del diamante con luz láser, lo que hace que los centros NV emitan fluorescencia. Al detectar y analizar la luz emitida, es posible reconstruir detalles del espín de las partículas cercanas.
La capacidad de utilizar centros NV en diamantes se ha desarrollado en los últimos años, afirma Ajoy, y muchos grupos trabajan ahora para aprovecharlos en aplicaciones de computación y comunicación cuánticas. Cuando los centros NV están muy cerca de la superficie de un diamante —a unos pocos nanómetros—, también pueden utilizarse para detectar los estados de espín de las partículas de una molécula colocada sobre la superficie. En principio, entonces es posible detectar y cartografiar los átomos individuales y sus posiciones, revelando la estructura molecular.
La idea es «colocar una molécula biológica sobre el diamante e intentar determinar su estructura», explica Ajoy. En el caso de las proteínas, «la estructura y la función están estrechamente relacionadas», señala; por eso, poder cartografiar esa estructura con precisión podría ayudar a comprender tanto cómo funcionan algunos procesos biológicos fundamentales como la manera de desarrollar nuevos fármacos que interactúen con objetivos moleculares específicos.
«Podría ayudar a desarrollar algo que encaje sobre [una molécula objetivo] o a su alrededor, o que la bloquee», afirma Ajoy. «El primer paso es conocer la estructura».
Los esfuerzos por descifrar la estructura molecular de las proteínas se han basado sobre todo en la cristalografía de rayos X, la microscopía electrónica de transmisión o la resonancia magnética nuclear. Sin embargo, todos estos métodos requieren grandes volúmenes de muestra —por ejemplo, la difracción de rayos X exige agrupar las moléculas en cristales—, por lo que ninguno puede utilizarse para estudiar moléculas individuales. Esto limita enormemente la aplicabilidad de estas técnicas.
«Hay muchas moléculas para las que esto no funciona, porque no se pueden cultivar los cristales o es muy difícil hacerlo», afirma Ajoy. «Para estas moléculas, nuestro método podría ser útil porque no se necesitan cristales, solo una molécula».
Además, mientras que otras técnicas requieren condiciones especializadas, como temperaturas muy bajas o el vacío, la nueva técnica «quizá permita determinar la estructura a temperatura ambiente y en condiciones ambientales», afirma.
Hasta ahora, el trabajo es teórico; el siguiente paso, que el equipo ya ha comenzado, es producir imágenes reales con esta técnica. «Empezamos a construir este sistema hace un año y ya tenemos experimentos preliminares», afirma Ajoy. Probablemente aún falten unos años para obtener imágenes reales de moléculas, añade.
Esta técnica supone un «avance muy importante en el desarrollo de nuevas técnicas para determinar estructuras biomoleculares», afirma Fedor Jelezko, profesor de óptica cuántica de la Universidad de Ulm, en Alemania, quien no participó en esta investigación. «Es un trabajo excelente que tendrá un gran impacto en muchos campos de la ciencia. Estoy seguro de que varios grupos de todo el mundo intentarán llevar a cabo experimentos» basados en las ideas de este artículo.
Además de Ajoy, Cappellaro y Bissbort, el equipo incluyó al profesor de física Mikhail Lukin y al profesor titular Ronald Walsworth, ambos de la Universidad de Harvard. El trabajo recibió el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos y de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: David L. Chandler es escritor independiente y autor, y escribe sobre ciencia desde 1975.
Imagen: Se ven dos diamantes expuestos en Serendip Jewellers, en el Hatton Garden Jewellery Emporium. REUTERS/Luke MacGregor.
