18.08.2021 - Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

Cómo encontrar tesoros ocultos en la química con software

Herramientas digitales para observar la gimnasia molecular

Las proteínas hemáticas se presentan en muchas variedades. Son verdaderos polifacéticos y proporcionan un extraordinario número de funciones diferentes en casi todos los ámbitos de la naturaleza viva, especialmente en el equilibrio energético biológico. El centro de todas estas proteínas diferentes es siempre la misma molécula. Pero, ¿cómo puede un solo compuesto desempeñar tantas funciones? Jens Krumsieck y el profesor Martin Bröring, del Instituto de Química Inorgánica y Analítica (IAAC) de la Universidad Técnica de Braunschweig, han desarrollado un método para responder a esta pregunta. Los resultados acaban de publicarse como artículo muy importante en "Chemistry - A European Journal".

El ejemplo más conocido de proteínas hemáticas es la hemoglobina, el transportador de oxígeno de la sangre de los mamíferos. Además de la hemoglobina, hay otros muchos ejemplos conocidos, como la citocromo c oxidasa, que es la central eléctrica de la membrana mitocondrial y suministra al organismo electricidad y calor biológicos. También es posible que mucha gente conozca el citocromo P450. Se utiliza en nuestro hígado para descomponer los xenobióticos y desintoxicar el organismo.

Molécula central: Un complejo de hierro de protoporfirina IX

Sin embargo, el centro activo en todas estas proteínas diferentes es siempre la misma molécula: un complejo de hierro de protoporfirina IX, el llamado grupo hemo. El hemo es esencialmente una molécula 2D casi cuadrada y plana. Químicamente, pertenece a las metaloporfirinas. Existen muchas variaciones de éstas tanto en la naturaleza como en el laboratorio, por ejemplo las clorofilas que contienen magnesio en las plantas verdes o la clorina de cobalto de la vitamina B12.

Durante mucho tiempo se ha planteado la pregunta de cómo un solo compuesto puede ser capaz de realizar tantas funciones diferentes con una selectividad y especificidad tan elevadas. Jens Krumsieck y Martin Bröring han desarrollado una herramienta digital para ello: "PorphyStruct" descubre patrones especiales en las estructuras de los porfirinoides.

Reconocer y cuantificar la "gimnasia molecular"

Estos patrones especiales son los llamados modos conformacionales. La adopción de estos modos por parte de los porfirinoides ha sido bautizada recientemente como "gimnasia molecular" por el profesor Mathias Senge del Trinity College de Dublín (Irlanda). Los porfirinoides son verdaderos atletas y todo menos inmóviles. Pueden estirarse y doblarse de diversas maneras , con efectos positivos similares a los de nuestra gimnasia. Con esta flexión, las propiedades eléctricas y ópticas de las moléculas cambian, a veces drásticamente. Esto ofrece una explicación de por qué la reactividad del grupo hemo en diferentes bolsas de proteínas cambia tan fuertemente.

"PorphyStruct" es capaz de detectar, categorizar y cuantificar automáticamente estas elongaciones para estructuras de una amplia gama de campos científicos. Como resultado, el programa proporciona una forma sencilla y fácil de usar para que químicos, biólogos, ingenieros y científicos de materiales evalúen cuantitativamente los porfirinoides en diferentes entornos.

"El proyecto es pura investigación fundamental", dice Bröring. "Pero, por supuesto, una herramienta digital también puede utilizarse muy rápidamente cuando se trata de descubrir conocimientos ocultos con relevancia para la aplicación. Por esta razón, también hemos decidido conscientemente hacer que el código fuente sea completamente accesible como fuente abierta."

Resultados clasificados como "Papel muy importante"

La idea de que las habilidades "gimnásticas" de los porfirinoides son un componente importante para entender su reactividad no es nueva. Sin embargo, hasta ahora no existía un método de cuantificación sencillo que abarcara la mayoría de los sistemas conocidos y produjera análisis comparables. La necesidad de un método de este tipo era grande. Hasta ahora, los casos individuales se analizaban manualmente en busca de sus patrones de flexión en procedimientos extremadamente largos. Uno de los árbitros lo resume y escribe en su opinión de experto "Se trata sin duda de una herramienta muy esperada en la comunidad de la porfirina".

El profesor Bröring añade: "En realidad, el método y, por tanto, también un artículo como éste, estaba muy fuera de la zona de confort para nosotros, los químicos preparativos. Pero el riesgo de verlo desde un ángulo completamente nuevo ha merecido la pena. Habrá mucha atención internacional en el campo una vez que el artículo esté en circulación". La importancia y la resonancia esperada también se ponen de manifiesto en la clasificación del trabajo de Braunschweig como "Very Important Paper" en "Chemistry". En las revistas, las contribuciones científicas especialmente destacadas se clasifican como VIP.

"La investigación tampoco fue fácil para nosotros", señala Krumsieck. "Enseñar al ordenador a reconocer ciertos patrones en el espacio tridimensional resultó no ser trivial. Pero nuestro objetivo tenía que ser que el funcionamiento fuera lo más sencillo e intuitivo posible." Para lograrlo, hay que reconocer automáticamente ciertos motivos estructurales, lo que, sobre todo en la masa de más de 150 estructuras de prueba, también fue una tarea que requirió mucho tiempo.

Juego mental visual en la portada de la edición de Chemistry

En la portada de "Chemistry - A European Journal" aparece la ilustración de un experimento mental: ¿Qué pasaría si las moléculas fueran entidades de tamaño natural que pudieran examinarse directamente a simple vista en los laboratorios de cribado futuristas? Como si se tratara de un preparador físico, se podría comprobar lo bien que una molécula realiza los ejercicios de estiramiento ordenados y evaluar así su estado de forma. En la realidad, por supuesto, eso no funciona. "Ahí es donde tenemos que recurrir a las herramientas disponibles para examinar estructuras cuánticas submicroscópicas como las moléculas", dice el profesor Bröring. "PorphyStruct" es ahora una de estas herramientas.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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