La Quinta Mujer en el Premio Nobel de Química, una Revolución en la Evolución Dirigida de Enzimas.

November 15, 2018
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Foto: Departamento de Ingeniería Química CALTECH

Frances H. Arnold estudió ingeniería mecánica y aeroespacial en Princeton y se doctoró en ingeniería química por la universidad de California en Berkeley. Es catedrática “Linus Pauling” de ingeniería química, bioingeniería y bioquímica del instituto de tecnología de California y hoy se convirtió en la quinta mujer en recibir el premio nobel de química


El trabajo que llevó a Frances Arnold a ganar el premio nobel consiste en la evolución dirigida de enzimas.Las enzimas son proteínas que permiten llevar a cabo reacciones con una cantidad menor de energía, sin embargo, estas proteínas requieren de ambientes controlados muy específicos tales como el pH y la temperatura para seguir activas y no descomponerse. Gracias a la evolución dirigida se producen enzimas que aceleran mucho más la velocidad de reacción en condiciones fuera de las normales. A través de este procedimiento, se modificaron las bacterias Escherichia coli para poder trabajar con NAHD (coenzima nicotinamida adenina dinucleótido) y producir isobutanol, un precursor de combustibles y plásticos, de esta manera, se pueden producir combustibles de forma más eficiente y menos contaminante.

Pero ¿en qué consiste la evolución dirigida? La evolución es un proceso de modificación genética que se lleva a cabo naturalmente a lo largo del tiempo en ambientes específicos, es decir, el proceso de selección se realiza a través de los agentes externos de radiación, humedad, pH, iluminación, nutrientes disponibles, entre otros.  Para la evolución dirigida se parte de la selección de los genes que se desea expresar, para luego inducir la mutación en un microorganismo que producirá las enzimas modificadas, los microorganismos que sirven a este propósito es S. cerevisiae y E. coli. Una vez el nuevo gen ha sido insertado en el código de la bacteria este se expresa y se exploran las condiciones en las que se quiere mejorar la enzima, por ejemplo, altas temperaturas.

Recordemos que la estructura del ADN es como leer un libro cuyas palabras son de tres letras, sin embargo, este código es degenerado, esto quiere decir que si yo leo AGA, eso traduce para la arginina, pero también traduce arginina cuando leo AGG, CGA, CGC, CGG y CGU. Estas pequeñas secuencias que forman tres de las cuatro posibles bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina y uracilo) son los aminoácidos que en conjunto forman proteínas y enzimas. Por lo tanto, la generación de mutaciones específicas es muy difícil ya que los procedimientos actuales generan combinaciones aleatorias cuyas secuencias pueden codificar para una o varias proteínas, por ejemplo, en una proteína de 300 aminoácidos existen 5700 maneras diferentes de cambiar un solo residuo, 16 millones de maneras de cambiar dos y más de 30000 millones de cambiar tres, por tanto el proceso tiene que pasar por varios ciclos de selección de mutaciones puntuales beneficiosas que se van acumulando por generaciones hasta adquirir las propiedades deseadas.

¿Y cómo seleccionamos las características deseadas? Uno de los trabajos de Arnold consistió en generar mutaciones a partir de un PCR propenso a error (una variante del mecanismo de corrección natural) para crear “bibliotecas de genes” y lograr la evolución de la subtilisina E., el criterio de selección fue que las bacterias pudieran hacer hidrólisis de la caseína, la cual, es una proteína presente en la leche. Cuando se coloca la bacteria en un medio de caseína o cualquier otro compuesto a evaluar, la bacteria mutada es capaz de consumir o transformar dicho compuesto, generando un halo visible alrededor del organismo mutado. La otra forma de verificar las mutaciones y la actividad enzimática es induciendo a partir de microcultivos la expresión de la proteína y posteriormente se cuantifica esta actividad en un espectrofotómetro/fluorímetro lector de microplacas, o bien mediante el empleo de técnicas de cromatografía líquida de alta resolución.

El trabajo de Arnold tiene múltiples aplicaciones para el mejoramiento en la función de un producto existente y la producción de biocombustibles. Estos estudios salieron del laboratorio para cambiar y revolucionar la industria, hacerla más eficiente y con beneficios ambientales muy importantes. La evolución dirigida ha permitido también la generación de anticuerpos, en un estudio de Greg Winter, que ganó junto con Arnold el premio nobel de química, realizó un procedimiento en el cual insertó genes para anticuerpos en fagos (virus), que rápidamente insertaron estas proteínas en forma de Y en sus envases. Los anticuerpos pueden pegarse a las bacterias y virus, indicando a las células inmunes a destruir a los invasores, este procedimiento representa un tratamiento muy valioso para enfermedades autoinmunes y algunos tipos de cáncer.


Ilustración tomada de: The Royal Swedish Academy of Sciences.

Frances H. Arnold es la quinta mujer en ganar el premio nobel en la categoría de química, la preceden Marie Curie, Iréne Joliot-Curie, Dorothy Crowfoot y Ada E. Yonath. La importancia de los trabajos de estas mujeres es trascendental no sólo en el campo de la química, representan una guía para las mujeres que  se desempeñan en el campo de la ciencia y tecnología. Muchas otras mujeres trabajan también desde sus países por un mundo mejor, con constancia y entrega, impulsando generaciones a buscar sobresalir con sus investigaciones sin importar el género. Algunas de estas sobresalientes mujeres lucharon por cumplir sus metas a pesar de los obstáculos en el ámbito cultural y educativo, es bien sabido que las universidades no admitían mujeres, tuvieron que sobreponerse y empoderarse para lograr sus metas, el reconocimiento a través del premio Nobel es recompensa para su lucha. La misma Frances H. Arnold predice más premios nobel de química para las mujeres.



La Quinta Mujer en el Premio Nobel de Química, una Revolución en la Evolución Dirigida de Enzimas.

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November 14, 2018

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Foto: Departamento de Ingeniería Química CALTECH

Frances H. Arnold estudió ingeniería mecánica y aeroespacial en Princeton y se doctoró en ingeniería química por la universidad de California en Berkeley. Es catedrática “Linus Pauling” de ingeniería química, bioingeniería y bioquímica del instituto de tecnología de California y hoy se convirtió en la quinta mujer en recibir el premio nobel de química


El trabajo que llevó a Frances Arnold a ganar el premio nobel consiste en la evolución dirigida de enzimas.Las enzimas son proteínas que permiten llevar a cabo reacciones con una cantidad menor de energía, sin embargo, estas proteínas requieren de ambientes controlados muy específicos tales como el pH y la temperatura para seguir activas y no descomponerse. Gracias a la evolución dirigida se producen enzimas que aceleran mucho más la velocidad de reacción en condiciones fuera de las normales. A través de este procedimiento, se modificaron las bacterias Escherichia coli para poder trabajar con NAHD (coenzima nicotinamida adenina dinucleótido) y producir isobutanol, un precursor de combustibles y plásticos, de esta manera, se pueden producir combustibles de forma más eficiente y menos contaminante.

Pero ¿en qué consiste la evolución dirigida? La evolución es un proceso de modificación genética que se lleva a cabo naturalmente a lo largo del tiempo en ambientes específicos, es decir, el proceso de selección se realiza a través de los agentes externos de radiación, humedad, pH, iluminación, nutrientes disponibles, entre otros.  Para la evolución dirigida se parte de la selección de los genes que se desea expresar, para luego inducir la mutación en un microorganismo que producirá las enzimas modificadas, los microorganismos que sirven a este propósito es S. cerevisiae y E. coli. Una vez el nuevo gen ha sido insertado en el código de la bacteria este se expresa y se exploran las condiciones en las que se quiere mejorar la enzima, por ejemplo, altas temperaturas.

Recordemos que la estructura del ADN es como leer un libro cuyas palabras son de tres letras, sin embargo, este código es degenerado, esto quiere decir que si yo leo AGA, eso traduce para la arginina, pero también traduce arginina cuando leo AGG, CGA, CGC, CGG y CGU. Estas pequeñas secuencias que forman tres de las cuatro posibles bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina y uracilo) son los aminoácidos que en conjunto forman proteínas y enzimas. Por lo tanto, la generación de mutaciones específicas es muy difícil ya que los procedimientos actuales generan combinaciones aleatorias cuyas secuencias pueden codificar para una o varias proteínas, por ejemplo, en una proteína de 300 aminoácidos existen 5700 maneras diferentes de cambiar un solo residuo, 16 millones de maneras de cambiar dos y más de 30000 millones de cambiar tres, por tanto el proceso tiene que pasar por varios ciclos de selección de mutaciones puntuales beneficiosas que se van acumulando por generaciones hasta adquirir las propiedades deseadas.

¿Y cómo seleccionamos las características deseadas? Uno de los trabajos de Arnold consistió en generar mutaciones a partir de un PCR propenso a error (una variante del mecanismo de corrección natural) para crear “bibliotecas de genes” y lograr la evolución de la subtilisina E., el criterio de selección fue que las bacterias pudieran hacer hidrólisis de la caseína, la cual, es una proteína presente en la leche. Cuando se coloca la bacteria en un medio de caseína o cualquier otro compuesto a evaluar, la bacteria mutada es capaz de consumir o transformar dicho compuesto, generando un halo visible alrededor del organismo mutado. La otra forma de verificar las mutaciones y la actividad enzimática es induciendo a partir de microcultivos la expresión de la proteína y posteriormente se cuantifica esta actividad en un espectrofotómetro/fluorímetro lector de microplacas, o bien mediante el empleo de técnicas de cromatografía líquida de alta resolución.

El trabajo de Arnold tiene múltiples aplicaciones para el mejoramiento en la función de un producto existente y la producción de biocombustibles. Estos estudios salieron del laboratorio para cambiar y revolucionar la industria, hacerla más eficiente y con beneficios ambientales muy importantes. La evolución dirigida ha permitido también la generación de anticuerpos, en un estudio de Greg Winter, que ganó junto con Arnold el premio nobel de química, realizó un procedimiento en el cual insertó genes para anticuerpos en fagos (virus), que rápidamente insertaron estas proteínas en forma de Y en sus envases. Los anticuerpos pueden pegarse a las bacterias y virus, indicando a las células inmunes a destruir a los invasores, este procedimiento representa un tratamiento muy valioso para enfermedades autoinmunes y algunos tipos de cáncer.


Ilustración tomada de: The Royal Swedish Academy of Sciences.

Frances H. Arnold es la quinta mujer en ganar el premio nobel en la categoría de química, la preceden Marie Curie, Iréne Joliot-Curie, Dorothy Crowfoot y Ada E. Yonath. La importancia de los trabajos de estas mujeres es trascendental no sólo en el campo de la química, representan una guía para las mujeres que  se desempeñan en el campo de la ciencia y tecnología. Muchas otras mujeres trabajan también desde sus países por un mundo mejor, con constancia y entrega, impulsando generaciones a buscar sobresalir con sus investigaciones sin importar el género. Algunas de estas sobresalientes mujeres lucharon por cumplir sus metas a pesar de los obstáculos en el ámbito cultural y educativo, es bien sabido que las universidades no admitían mujeres, tuvieron que sobreponerse y empoderarse para lograr sus metas, el reconocimiento a través del premio Nobel es recompensa para su lucha. La misma Frances H. Arnold predice más premios nobel de química para las mujeres.



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