A partir de la creación de su primer dispositivo mecánico capaz de medir la masa de moléculas individuales, una a una, un equipo de científicos de Caltech y sus colegas han creado nanodispositivos que también pueden revelar su forma. Esta información es crucial al intentar identificar grandes moléculas de proteínas o complejos formados por moléculas de proteínas.
«Se puede imaginar que, en los grandes complejos proteicos formados por muchas subunidades distintas y más pequeñas, hay muchas maneras de ensamblarlos. Estos pueden acabar teniendo masas muy similares y, sin embargo, ser especies diferentes con funciones biológicas distintas. Esto ocurre especialmente con las enzimas, proteínas que median las reacciones químicas del organismo, y con las proteínas de membrana que controlan las interacciones de una célula con su entorno», explica Michael Roukes, titular de la cátedra Robert M. Abbey de Física, Física Aplicada y Bioingeniería en Caltech y coautor de correspondencia de un artículo que describe la tecnología, publicado el 30 de marzo en la edición en línea de la revista Nature Nanotechnology.
Uno de los fundamentos de la revolución genómica ha sido la capacidad de replicar moléculas de ADN o ARN a gran escala mediante la reacción en cadena de la polimerasa, para crear los muchos millones de copias necesarios para la secuenciación y el análisis habituales. Sin embargo, esta misma tecnología de producción en masa no sirve para copiar proteínas. En la actualidad, para identificar correctamente una proteína concreta se necesita una gran cantidad, normalmente millones de copias de la proteína de interés y muy pocas proteínas extrañas que actúen como contaminantes. A continuación, se evalúa la masa promedio de esta población molecular mediante una técnica llamada espectrometría de masas, en la que las moléculas se ionizan —para que adquieran una carga eléctrica— y luego se les permite interactuar con un campo electromagnético. Al analizar esta interacción, los científicos pueden deducir la relación entre la masa molecular y la carga.
Pero la espectrometría de masas a menudo no puede distinguir diferencias sutiles, aunque cruciales, entre moléculas con relaciones masa-carga similares. «Con la espectrometría de masas actual —explica Roukes—, primero se fragmentan las moléculas grandes y los complejos moleculares en muchas partes más pequeñas, es decir, en fragmentos de moléculas más pequeñas que los instrumentos existentes pueden analizar. Estos distintos fragmentos se analizan por separado y, después, se usa la bioinformática —que incluye simulaciones por computadora— para volver a armar el rompecabezas. Pero este proceso de reensamblaje puede verse frustrado si se mezclan piezas de distintos complejos».
Con sus dispositivos, Roukes y sus colegas pueden medir la masa de una molécula intacta individual. Cada dispositivo —que mide apenas unas millonésimas de metro o menos— consta de una estructura vibratoria llamada resonador de sistema nanoelectromecánico (NEMS). Cuando una partícula o una molécula cae sobre el nanodispositivo, la masa añadida cambia la frecuencia a la que vibra la estructura, de forma parecida a como unas gotas de soldadura en una cuerda de guitarra cambiarían la frecuencia de su vibración y el tono resultante. Los cambios de frecuencia inducidos proporcionan información sobre la masa de la partícula. Pero, como se describe en el nuevo artículo, también pueden utilizarse para determinar la distribución espacial tridimensional de la masa, es decir, la forma de la partícula.
«Una cuerda de guitarra no vibra en una sola frecuencia —dice Roukes—. Tiene armónicos de su tono fundamental, o los llamados modos vibratorios. Lo que distingue una cuerda de violín de una de guitarra son, en realidad, las distintas combinaciones de esos armónicos del tono fundamental. Aquí ocurre lo mismo. Podemos excitar simultáneamente un conjunto de tonos distintos en cada uno de nuestros nanodispositivos y seguir muchos de ellos en tiempo real. Resulta que, cuando la molécula cae en distintas orientaciones, esos armónicos se desplazan de manera diferente. Entonces podemos usar la teoría de imágenes inerciales que hemos desarrollado para reconstruir en el espacio una imagen de la forma de la molécula».
«La nueva técnica revela una capacidad de los sensores mecánicos que antes no se había reconocido», afirma el profesor Mehmet Selim Hanay, de la Universidad de Bilkent, en Ankara, Turquía, antiguo investigador posdoctoral en el laboratorio de Roukes y coautor principal del artículo. «Antes identificábamos moléculas, como el anticuerpo IgM, basándonos únicamente en su peso molecular. Ahora, al permitir deducir simultáneamente el peso molecular y la forma de una misma molécula, la nueva técnica puede mejorar mucho el proceso de identificación, algo importante tanto para la investigación básica como para la industria farmacéutica».
Actualmente, las estructuras moleculares se descifran mediante cristalografía de rayos X, una técnica que suele ser laboriosa y consiste en aislar, purificar y cristalizar las moléculas, para luego evaluar su forma a partir de los patrones de difracción que se producen cuando los rayos X interactúan con los átomos que, juntos, forman los cristales. Sin embargo, muchas moléculas biológicas complejas son difíciles, cuando no imposibles, de cristalizar. E incluso cuando se pueden cristalizar, la estructura molecular obtenida representa la molécula en estado cristalino, que puede ser muy distinta de la estructura de la molécula en su forma biológicamente activa.
«Se pueden imaginar situaciones en las que no se sabe exactamente qué se busca, en las que se está en modo de descubrimiento e intentando averiguar, por ejemplo, la respuesta inmunitaria del organismo a un patógeno concreto», dice Roukes. En estos casos, la capacidad de realizar detecciones de moléculas individuales y obtener tantos datos independientes como sea posible sobre esa molécula mejora mucho las probabilidades de identificarla de manera inequívoca.
«Decimos que el cáncer suele comenzar con una sola célula aberrante, lo que significa que, aunque quizá sea una entre muchas células similares, hay algo único en la composición molecular de esa célula. Con esta técnica, potencialmente contamos con una nueva herramienta para averiguar qué la hace única», añade.
Hasta ahora, la nueva técnica se ha validado con partículas de tamaños y formas conocidos, como nanogotas de polímero. Roukes y sus colegas demuestran que, con los nanodispositivos más avanzados de hoy, el método puede ofrecer resolución a escala molecular, es decir, permitir ver los subcomponentes moleculares de conjuntos de proteínas individuales intactos. Los esfuerzos actuales del grupo se centran ahora en esas exploraciones.
Scott Kelber, antiguo estudiante de posgrado en el laboratorio de Roukes, es el otro coautor principal del artículo, titulado «Imágenes inerciales con sistemas nanoelectromecánicos». El profesor John Sader, de la Universidad de Melbourne, Australia, y asociado visitante en Física en Caltech, es el coautor de correspondencia. Los otros coautores son Cathal D. O’Connell y Paul Mulvaney, de la Universidad de Melbourne. El trabajo recibió financiación de una beca Pioneer del director de los National Institutes of Health, una cátedra distinguida de profesor visitante del Kavli Nanoscience Institute de Caltech, la Fondation pour la Recherche et l’Enseignement Superieur de París y el programa de subvenciones del Australian Research Council.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
Para mantenerse al día con la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Kathy Svitil es colaboradora de Caltech.
Imagen: La estudiante de posgrado Katie Bates estudia cortes de tejido cerebral de roedores con parkinsonismo en el laboratorio de nanomedicina de la Escuela de Farmacia de UCL. REUTERS/Suzanne Plunkett.
