Un nuevo proceso facilita la elaboración de aminoácidos que no existen en la naturaleza

Cada proteína de su cuerpo está formada por los mismos 20 componentes básicos llamados aminoácidos. Pero el hecho de que la naturaleza esté estancada con un conjunto de herramientas limitado no significa que los humanos no puedan ampliarlo.

Un estudio publicadoen Science, realizado por un equipo que incluye a químicos de Pitt, describe una nueva y poderosa forma de crear aminoácidos "no naturales", que podrían encontrar uso en terapias basadas en proteínas y abrir nuevas ramas de la química orgánica.

"Esta es una transformación completamente nueva: nueva para la naturaleza y nueva para la química", dijo Peng Liu, profesor de química en la Escuela de Artes y Ciencias Kenneth P. Dietrich y autor correspondiente del artículo. "Decirle a una enzima que cree una configuración antinatural de un aminoácido es inusual y hay que hacerlo con bioingeniería cuidadosa".

Cambie solo una parte de una proteína más grande y podrá alterar su forma y su función, por lo que los aminoácidos no naturales son prometedores para abrir nuevos tipos de terapias como antibióticos o inmunosupresores que utilizan proteínas o sus primos más pequeños.

Sin embargo, crear tales moléculas en el laboratorio es un proceso oneroso que consta de varios pasos: las partes del aminoácido que se unen entre sí para formar una cadena proteica deben protegerse a medida que los investigadores transforman químicamente el resto de la molécula. La reacción descrita en el nuevo artículo, sin embargo, es más simple y eficiente, y ofrece a los químicos un nivel de control sin precedentes sobre cómo se orientan los grupos de átomos en la molécula resultante.

También emplea una herramienta química, una enzima PLP, de una manera inusual. Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones; por lo general, incluso cuando sus funciones se ven alteradas por la bioingeniería, todo lo que pueden hacer es acelerar procesos químicos conocidos que los químicos podrían lograr de otras maneras, aunque más lentas. Pero combinada con un catalizador molecular sensible a la luz, la enzima en esta nueva reacción puede lograr mucho más que eso.

"Se puede argumentar que las enzimas creadas mediante bioingeniería proporcionan una mayor eficiencia que los catalizadores de moléculas pequeñas, pero catalizan la misma reacción", dijo Liu. “Pero esta es una reacción completamente nueva. Simplemente no existía antes”.

El grupo de Liu utiliza simulaciones por computadora para descubrir la intrincada danza que ocurre en una reacción química a nivel de átomos y electrones, agregando el "por qué" al "qué" descubierto por los grupos que realizan experimentos. Para este artículo, Liu y el investigador postdoctoral de Pitt, Binh Khanh Mai, trabajaron con un equipo de investigadores de UC Santa Barbara dirigido por Yang Yang, una colaboración que se ha fortalecido desde 2014, cuando Yang pasó un verano en el laboratorio de Liu como estudiante de posgrado visitante. .

Liu y Mai se sumergieron en los datos proporcionados por el grupo de Yang para comprender cómo y por qué tuvo lugar la reacción, descifrando los pasos intermedios que son invisibles para los químicos. En un paso, el dúo observó particularmente de cerca cómo un electrón tiene que recorrer una distancia inusualmente larga en su camino entre dos moléculas. "Tuvimos que hacer un modelo cuidadoso sobre la probabilidad de que esto ocurriera porque este es el paso nuevo para la naturaleza y respalda todo el mecanismo de reacción", dijo Liu.

La base de esos modelos es una enorme potencia informática. Liu cita el Centro de Computación de Investigación de Pitt como un ingrediente esencial en el éxito del laboratorio, ya que las complejas simulaciones que realiza el grupo para comprender las complejidades de las reacciones químicas requieren tiempo con supercomputadoras potentes y de vanguardia.

Aun así, aún quedan preguntas sin respuesta y este documento es sólo el primer paso de una serie de colaboraciones entre los dos equipos. Si pueden comprender mejor por qué ocurre esta reacción inusual, el grupo de Liu podría aprovechar la capacidad de aprovecharla en diferentes contextos para crear una amplia variedad de nuevas herramientas químicas, medicamentos y más.

"Puedes pensar en cuántos tipos diferentes de aminoácidos no naturales podrías producir; hay un número casi ilimitado", dijo Liu. "Entonces, ¿podemos utilizar esta información para desarrollar otras reacciones nuevas también?"

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Pittsburgh.