Nuevas simulaciones computacionales para entender sistemas biofísicos

Por Chessil Dohvehnain

San Luis Potosí, San Luis Potosí. 22 de mayo de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- Innovadoras herramientas computacionales y nuevos enfoques teóricos para comprender sistemas complejos como los hidrocarburos son aplicados en la maestría en nanociencias y materiales por la biofísica Olga Leticia Ramírez Ramírez, actual becaria del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (Ipicyt), dentro del grupo de polímeros del Departamento de Materiales.

Ejemplo de apolipoproteína A1 en líquido iónico, en configuración cerrada, donde lo rojo es agua, imagen cortesía de Olga R.
Mediante el trabajo por simulaciones de dinámica molecular para entender la estabilidad de un fragmento de proteína en líquidos iónicos, la joven decantada por la exploración de la biología molecular y la ciencia de los polímeros propone una nueva forma de entender sistemas biofísicos complejos. Algo que comenzó con el estudio de una enigmática proteína llamada apolipoproteína A1.

“En la licenciatura me propusieron esto del fragmento de la apolipoproteína A1 porque colaboradores ya habían hecho estudios con sal de mesa (cloruro de sodio), y ellos decían que no podían ver un comportamiento normal en la proteína. O sea, podías tener poca o mucha concentración de sal y podía variar mucho la conformación de la proteína”.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, la estudiante explica que el proyecto de investigar mediante simulaciones nació casi como una ocurrencia, respondiendo a uno de los muchos misterios científicos que aún guarda la interacción de las biomoléculas entre los seres vivos. 

En su proceso de titulación, la joven (segunda de izquiera a derecha) expuso los resultados de la simulación de dinámica molecular, fotografía cortesía de Olga R."El caso con esta proteína es que se encuentra involucrada en el proceso de transporte de grasas de nuestro cuerpo al hígado para que se degraden, y se tiene poco entendido cómo es que esta proteína interviene en el intercambio de la grasa del cuerpo al interior de la macromolécula de la que forma parte”. 

La cuestión es que la molécula es grande y a veces en estudios teóricos, como bien lo menciona, entre más grande es algo es más complicado estudiarlo, al menos desde las simulaciones, por lo que se optó por trabajar con un fragmento representativo de la proteína, para ver cómo se comporta.

Sin embargo, para cada proteína es necesario estandarizar un protocolo. Pero para ello primero es necesario hacer numerosas pruebas para encontrar las condiciones específicas de estabilidad de dicha proteína a través del uso de algunas sales, lo cual constituye todo un reto.

“Ahora hay un boom en el uso de los líquidos iónicos en ciertas áreas de la ciencia, como en el área de la energía donde se está probando su aplicabilidad en el caso de las baterías. Esto es debido a que se propone que estos se pueden reutilizar y serían de algún modo más amigables con el ambiente. El estudio de esta proteína en presencia de líquidos iónicos nos daría una idea de si presenta estabilidad y ver si el sistema funciona para poder cristalizar esta clase de proteínas. También nos hablaría un poco del posible mecanismo que activa la proteína al momento de permitir la entrada y salida de las grasas de la macromolécula en la cual se encuentra”.

Dinámica molecular y simulaciones

Lo interesante de la dinámica molecular y las simulaciones es que lo que se intenta resolver son problemas de interacción de moléculas en los seres vivos.

Líquidos iónicos y su aplicación Los líquidos iónicos son disolventes con una gran diversidad de aplicaciones debido a sus características fisicoquímicas, y que han captado la atención por su uso como respuesta ante la demanda de la industria y del desarrollo de tecnologías económicas, como explica la doctora Florianne Castillo Borja, del Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica del Instituto Tecnológico de Aguascalientes. En su texto de 2015, explica que los líquidos iónicos son fundamentalmente sales que pueden utilizarse incluso en procesos a altas temperaturas que alcancen los 300 grados Celsius, además de que entre sus diversas aplicaciones, fungen como medio para purificar gas natural, para la industria farmacéutica y para la captura de emisiones industriales contaminantes de dióxido de carbono (CO2). Otra de sus aplicaciones para el estudio de sistemas complejos consiste en evaluar la interacción de proteínas en su presencia para quizá desarrollar nuevos métodos de cristalización proteínica, además de investigar sus procesos de interacción por medio de la simulación de dinámica molecular.

“En una simulación, ingresas las posiciones de cada uno de los átomos de la molécula en el sistema y pones ciertas condiciones como la energía, y lo que ocurre es que la molécula se va a 'mover'. Tú eliges las condiciones en que realizas el estudio, cuánto quieres medir o qué tan seguido quieres ver las posiciones de tus átomos, y de acuerdo con esas posiciones, por medio de física estadística podemos transformar esa información a propiedades físicas medibles, como la viscosidad o densidad (...) De lo que se trata, es diseñar matemáticamente una manera para reproducir lo que ocurre en la realidad”.

Por supuesto, también reconoce que para las físicas teóricas como ella es necesario apoyarse en trabajos experimentales, para obtener información que sirva para contrastar los hallazgos en las simulaciones. 

Sin embargo, explica que una parte de la importancia de los estudios teóricos como el suyo radica en la posibilidad de romper un poco esa brecha que en laboratorio te obliga a usar la imaginación. Porque, como bien dice, cuando haces algo en el laboratorio, todo lo imaginas a escalas que son invisibles para nuestros ojos.

“Yo he purificado proteínas, ADN, etcétera, pero en el laboratorio tú ves gotitas, e incluso hay gotitas tan pequeñas que ni siquiera ves. O sea, trabajas con dimensiones que nuestros ojos no ven. Entonces imagínate que veas la molécula, cómo se comporta y lo que ocurre a niveles difíciles de observar; algo que las simulaciones te permiten comprender”.

Otro caso de valor para el uso de estos estudios es que cuando no hay protocolos definidos para la purificación de proteínas, hacerlos implica ensayo y error. Pero con el uso de simulaciones para entender los sistemas biomoleculares con los que se trabaja, esos pasos de ensayo podrían saltarse para ahorrar tiempo y trabajo.

“Porque la idea de hacer simulaciones es poder predecir cosas. Entonces, si nosotros tenemos datos suficientes, puedes predecir reacciones, planear y optimizar recursos”.

Simulando sistemas biofísicos complejos

Actualmente su trabajo de maestría se enmarca dentro de un proyecto que busca entender sistemas complejos, como el petróleo, a través de simulaciones. Y es que el petróleo, por ejemplo, puede considerarse una mezcla de hidrocarburos bastante compleja.

“En México tenemos muchas reservas con petróleo pesado, por decirlo de alguna manera, y ciertos reservorios bajo explotación en los que no conocemos las características de su empuje natural, ya que son muy densos y no se sabe qué técnicas utilizar para aprovecharlos, etcétera. Por lo que para hacer algo con ese recurso, es fundamental entender su sistema, que a veces por su complejidad se deja de lado estudiarlo a ciertas escalas”.

Y es que hablando de complejidad, un mayor número de variables es requerida y, por tanto, una mayor capacidad de cómputo, así como de trabajo para la elaboración y diseño del sistema a simular.

Para el proyecto de investigación, su papel como la única que trabaja la cuestión a escalas de átomos resulta una veta de conocimiento clave, lo cual le ha permitido acceder a una estancia de investigación en la Universidad de Calgary, en Canadá, que también colabora en el proyecto.

“Principalmente voy a aprender sobre modelos que he investigado y sí quisiera profundizar”, concluye la investigadora.

 

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