Reconstruyen evolución de proteína bacteriana ancestral con potenciales aplicaciones industriales y biotecnológicas

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Un equipo internacional de investigación, liderado por Laura Mascotti, científica del CONICET, reconstruyó la evolución de una familia de enzimas con alto potencial para aplicaciones biotecnológicas: las Baeyer-Villiger monooxigenasas (BVMOs). El estudio, publicado en Cell Reports, no sólo determinó en qué momento este grupo de moléculas desarrolló la capacidad de utilizar oxígeno, clave para cumplir sus funciones, sino que, además, abre nuevas vías para comprender el desarrollo de funciones biológicas complejas aportando nuevos datos para potenciar sus fines aplicados, según informó la institución.

Las BVMOs son enzimas que toman oxígeno del aire para transformar moléculas mediante un proceso de oxidación. A través de una técnica denominada “reconstrucción de secuencias ancestrales”¹, que permite conocer, a través del estudio de sus antepasados, cómo una proteína adquiere una determinada función a lo largo del tiempo, el equipo científico reconstruyó su historia evolutiva y detectó en qué momento adquirió la capacidad de utilizar oxígeno.

Según Laura Mascotti, investigadora del CONICET en el Instituto de Histología y Embriología de Mendoza (IHEM, CONICET-UNCUYO) y líder del estudio, estas enzimas han existido en los microorganismos por millones de años, mucho antes de que la atmósfera terrestre estuviera enriquecida con oxígeno. “Las BVMOs son proteínas muy ancestrales y su evolución la podemos rastrear con certeza hasta las primeras poblaciones bacterianas, un poco antes del ‘gran evento de oxigenación’, hace aproximadamente 2.5-2.3 millones de años”, señaló Mascotti, recientemente incorporada al IHEM, para establecer un grupo de Bioquímica Evolutiva, luego de varios años de trabajo en los Países Bajos.

“Nuestra idea era entender cuándo adquirieron la capacidad de usar oxígeno y cómo. Para ello, lo que hicimos fue aproximarnos al problema desde la bioquímica evolutiva, que en modo simple consiste en estudiar la evolución de la familia de enzimas para poder rastrear en el tiempo cómo fue cambiando una función o cómo la adquirió. Para nosotros es muy importante estudiar esto porque queríamos comprender cómo las monooxigenasas ‘aprendieron’ a usar oxígeno”, detalló la científica.

El estudio demostró que las BVMOs evolucionaron en una serie de pasos, comenzando a partir de una proteína que no tenía actividad y adquiriendo posteriormente reactividad y especificidad hasta transformarse en enzimas activas. En conjunto, los resultados del estudio ilustran cómo un mecanismo catalítico intrínsecamente complejo emergió durante la evolución.

Las BVMOs tienen un alto potencial para aplicaciones biotecnológicas, como la producción de polímeros. Aunque, aún no se han podido utilizar a gran escala debido a su inestabilidad en condiciones operativas y a la necesidad de ajustar su selectividad, en determinados casos. La ciencia destinada a profundizar sobre su funcionamiento, y el de las enzimas en general, permite mejorar su aplicación práctica. “La bioquímica evolutiva² genera resultados que son clave para luego aplicar diseños racionales o semi-racionales de variantes enzimáticas con aplicación industrial porque nos permite conocer y definir cuáles son los ‘determinantes funcionales’ de una enzima. Por otro lado, creo que vale la pena destacar que la reconstrucción de secuencias ancestrales no es una herramienta más de ingeniería genética, sino que es una aproximación para ‘diseccionar/desentrañar’ funcionalidades y que puede generar conocimiento valiosísimo para ser luego utilizado con fines aplicados”, concluyó Mascotti.

Importante
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El estudio Evolution of the catalytic mechanism at the dawn of the Baeyer-Villiger monooxygenases, fue publicado en Cell Reports. Los autores involucrados son: Guang Yang, Ognjen Pećanac, Hein J. Wijma, Henriëtte J. Rozeboom, Gonzalo de Gonzalo, Marco W. Fraaije, María Laura Mascotti.

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La reconstrucción de secuencia ancestral (ASR), también conocida como reconstrucción/resurrección de gen/secuencia ancestral, es una técnica utilizada en el estudio de la evolución molecular. El método utiliza secuencias relacionadas para reconstruir un gen ‘ancestral’ a partir de una alineación de secuencias múltiples. El método puede utilizarse para ‘resucitar’ proteínas ancestrales y fue sugerido en 1963 por Linus Pauling y Emile Zuckerkandl. En el caso de las enzimas, este enfoque se ha denominado paleoenzimología (en inglés: paleoenzymology). Algunos de los primeros esfuerzos se realizaron en las décadas de 1980 y 1990, dirigidos por el laboratorio de Steven A. Benner, y demostraron el potencial de esta técnica. Gracias a la mejora de los algoritmos y de mejores técnicas de secuenciación y síntesis, el método se desarrolló aún más a principios de la década de 2000 para permitir la resurrección de una mayor variedad y de genes mucho más antiguos. En la última década, la resurrección de proteínas ancestrales se ha desarrollado como una estrategia para revelar los mecanismos y la dinámica de la evolución de las proteínas. Wikipedia en inglés ↩︎
En el paper Evolutionary biochemistry: revealing the historical and physical causes of protein properties publicado en agosto de 2013, sus autores: Michael J. Harms y Joseph W. Thornton señalan en el resumen: El repertorio de proteínas y ácidos nucleicos del mundo vivo está determinado por la evolución; sus propiedades están determinadas por las leyes de la física y la química. Las explicaciones de estos dos tipos de causalidad (el ámbito de la biología evolutiva y la bioquímica, respectivamente) suelen buscarse de forma aislada, pero muchas cuestiones fundamentales caen directamente en la interfaz de los campos. Aquí articulamos el paradigma de la bioquímica evolutiva, cuyo objetivo es analizar los mecanismos físicos y los procesos evolutivos mediante los cuales las moléculas biológicas se diversificaron y revelar cómo su arquitectura física facilita y limita su evolución. Mostramos cómo la integración de la evolución con la bioquímica nos lleva hacia una comprensión más completa de por qué las moléculas biológicas tienen las propiedades que tienen. ↩︎