Cuando la I+D+i se basa en la propia evolución

Laureada con el Premio Nobel de Química 2018 por su trabajo en la evolución dirigida de las enzimas, esto es, proteínas que catalizan reacciones químicas, Frances H. Arnold desarrolló a principios de los 90 nuevos métodos que permiten fabricar proteínas de forma respetuosa con el medio ambiente, tanto para la industria farmacéutica como para la producción biocombustibles renovables.

La Dra. Arnold lograba la mitad del galardón por su trabajo en la evolución dirigida de las enzimas, y  George P. Smith y Sir Gregory P. Winter se repartieron la otra mitad por la tecnología de presentación de péptidos y proteínas en la superficie de los bacteriófagos (virus que infectan las bacterias). Ambas investigaciones muestran cómo la teoría de la evolución puede ser usada en biotecnología.

La idea principal detrás de este Premio Nobel de Química es que para sintetizar ciertas sustancias químicas orgánicas puede copiarse el modo en que lo hace la Naturaleza tras miles de años de evolución darwiniana. La Academia distinguió a Arnold, en definitiva,  por impulsar la primera evolución dirigida de enzimas. No en vano, su trabajo ha revolucionado tanto la química como el desarrollo de nuevos medicamentos y sus métodos han hecho posible una industria más limpia, producir nuevos materiales y biocombustibles, mitigar enfermedades y salvar vidas, tal y como en su día destacaba en su fallo la Real Academia de las Ciencias Sueca.

«Nuestro objetivo es hacer química que sea compatible con la vida y para ello empleamos recursos renovables. Queremos desarrollar una ciencia y una tecnología que nos ayude a sobrevivir y prosperar en este planeta, y compartirlo con el resto de criaturas que lo habitan», declaró Arnold sobre sus investigaciones con motivo del premio.

Primera evolución dirigida de enzimas

Arnold se interesó a finales de 1970 por el desarrollo de nuevas tecnologías, primero con energía solar y luego con ADN, pero en vez de usar la química tradicional para producir fármacos o plásticos, pensó en recurrir a las herramientas químicas de la vida, las enzimas, que son las que catalizan las reacciones en los organismos vivos.

Tras años intentando reconstruir enzimas para darles nuevas propiedades, a principios de  los 90 optó por un nuevo enfoque, que no es otro que usar el método de la naturaleza para optimizar la química: la evolución.

Arnold fue pionera en el uso de la evolución dirigida para diseñar enzimas que realizan funciones nuevas o que funcionan de manera más efectiva que las enzimas naturales. Usando los principios de la evolución por selección natural, demostró que se pueden orientar a las proteínas y enzimas a llevar a cabo tareas biológicas. Para adaptarlas, usa un proceso que introduce mutaciones en las secuencias de las proteínas y prueba los efectos que causa. Si en un caso una mutación deriva en mejora, el proceso se vuelve a aplicar hasta mejorar el resultado.

Aplicaciones prácticas

El proceso puede ser aplicado para diseñar proteínas que puedan cumplir con una variedad de tareas, como usar enzimas para producir biocombustibles y compuestos farmacéuticos que causen menos daño al medio ambiente.

Los primeros trabajos de Arnold se centraron en la síntesis de la subtilisina (serina endopeptidasa), una proteasa, esto es, una enzima que digiere otras proteínas. Se obtenía a partir de la bacteria Bacillus subtilis, siendo muy usada en productos comerciales, como detergentes de uso doméstico, cosméticos y procesado de alimentos, y en la síntesis de otros compuestos orgánicos. En un artículo publicado en PNAS, Arnold usó la evolución dirigida para modificar una subtilisina incapaz de romper la caseína (proteína de la leche) para obtener una subtilisina modificada (en 10 aminoácidos) que era 256 veces mejor proteasa contra la caseína Su éxito fue emulado y mejorado por otros investigadores que convirtieron esta técnica de síntesis y mejora de proteínas como una herramienta imprescindible en biotecnología.

Los trabajos de Arnold se dirigieron a la síntesis de biocombustibles (de gran importancia en la producción de energía renovable), y en otros laboratorios hacia la producción de fármacos (medicamentos). Por lo que su trabajo ha contribuido a un mundo más verde.

Otras aplicaciones del trabajo de Arnold fueron la producción de biocombustibles, en especial el isobutanol, que puede producirse con bacterias E. coli, pero requiere el cofactor NADPH. Las E. coli producen la nicotinamida adenina dinucleótido, o NADH, por ello, Arnold diseñó enzimas que usan NADH para permitir la producción del isobutanol.

Otra de las investigaciones consiste en la recombinación de proteínas, usada para formar nuevas proteínas con funciones únicas. Para ello desarrolló el método computacional SCHEMA, usado para crear simulaciones y predecir cómo combinar proteínas y después aplicar la evolución dirigida, para mutarlas para lograr optimizar sus funciones.

En 1993, Arnold desarrolló por primera vez un método para introducir mutaciones en la secuencia genética de enzimas e introducirlas en bacterias. Este ganado microscópico servía para producir miles de variantes diferentes de la enzima en cuestión que, después eran seleccionadas y mejoradas generación tras generación, hasta tener una nueva proteína con propiedades que no se dan en la naturaleza.

Las bacterias se pueden usar como fábricas de enzimas (polipéptidos formados por la repetición en cierto orden de los 20 aminoácidos). Pero para ciertas aplicaciones biotecnológicas es preciso optimizar las enzimas que existen en la Naturaleza para mejorar su funcionamiento. Esta evolución dirigida (también llamada evolución in vitro o diseño “irracional”) permite optimizar el diseño de las enzimas para su uso biotecnológico.

La quinta mujer en lograr el Nobel de Química

Arnold Frabces es la quinta mujer en lograr el Nobel de Química, después de Marie Curie (1911), Irène Julíot-Curíe (1935), Dorothy Crawfoot Hodgkin (1969) y Ada Yonath (2009). Nacida el 25 de julio de 1956, es una científica e ingeniera química estadounidense. pionera en la investigación de métodos de evolución dirigida para crear sistemas biológicos útiles, incluyendo enzimas, rutas metabólicas, circuitos de regulación genética y organismos. Es catedrática «Linus Pauling» de ingeniería química, bioingeniería y bioquímica en el Instituto de Tecnología de California, Catlteh, donde estudia la evolución y sus aplicaciones en ciencia, medicina, química y energía. Se licenció en ingeniería mecánica y aeroespacial por la Universidad de Princeton en 1979 y se doctoró en ingeniería química por la Universidad de California en Berkeley. Allí desarrolló su trabajo postdoctoral en química biofísica antes de unirse al Caltech, en 1986, considerada como una de las mejores universidades del mundo.

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