El control de la estructura de las macromoléculas biológicas, bien a través de la interacción con una variedad de ligandos, o bien a través de la formación de agregados supramoleculares, están en la base de los mecanismos de la vida, desde la actividad de las enzimas a la biología molecular. A través de la estructura podemos mostrar cómo funcionan fármacos e inhibidores enzimáticos o entender fenómenos como el alosterismo, el moonlighting o la síntesis de ácidos nucleicos. Yendo más allá, las estructuras de ácidos nucleicos y proteínas son un testigo directo de la evolución biológica; el estudio de la estructura de los componentes del ribosoma, por ejemplo, nos relata su evolución por acreción de componentes desde un plegamiento inicial, y revela su conservación en todos los reinos biológicos, mostrando, de nuevo, cómo todos los organismos vivos parten de un ancestro común.

 

Precisamente, en una ocasión, la científica israelí Ada Yonath, premio Nobel de Química por la elucidación de la estructura del ribosoma, mostraba en una conferencia la equivalencia estructural entre dos proteínas ribosomales, la proteína ribosomal L16 bacteriana, implicada en la estructura del sitio A del ribosoma, y la proteína ribosomal L10E arqueal y eucariótica, expresando una idea muy interesante: “La proteína ribosomal clave en el posicionamiento del tRNA tiene una estructura similar en procariotas y eucariotas, pero sus secuencias son muy diferentes. Ello indica la superioridad de la estructura, es decir, la funcionalidad sobre la secuencia”.

 

A pesar de la importancia de la estructura, no es frecuente que los estudiantes de ciencias de la vida adquieran las competencias para analizar las características estructurales de una proteína, realizar superposiciones, obtener y manipular datos de estructuras u observar los plegamientos comunes en familias proteicas. La enseñanza de la estructura proteica se suele limitar a discutir los niveles estructurales clásicos y mostrar imágenes ilustrativas en las que los estudiantes pueden distinguir la presencia de estructuras secundarias y, en rasgos generales, afirmar si se trata de una proteína globular o reconocer algunas estructuras particulares. 

 

Sin embargo, actualmente disponemos de las herramientas suficientes para que cualquier estudiante pueda utilizar datos científicos de estructuras proteicas, editarlos y estudiarlos en su ordenador. Con la creación de AlphaFold, un sistema de inteligencia artificial capaz de realizar predicciones estructurales por homología a partir de cualquier secuencia de aminoácidos, la bioquímica estructural saltó a los medios generales, pues se trataba de un salto cualitativo y cuantitativo en la predicción de estructuras proteicas. La predicción por homología usando inteligencia artificial recapitula la evolución de las estructuras proteicas; pero ¿cómo es esto posible? ¿de qué modo podemos introducir activamente a nuestros estudiantes en el mundo de las estructuras moleculares, dándoles herramientas que les permitan comprender las relaciones entre estructura y función?

 

 

Un recurso muy útil para llevar las estructuras moleculares al aula es el software UCSF ChimeraX, desarrollado por científicos y programadores de la Universidad de California San Francisco. Este programa permite la visualización, edición y análisis de datos estructurales y cuenta con una gran ventaja: una interfaz amigable, relativamente intuitiva y su visualización estética y versátil. Además, es gratuito (por el momento; tras la experiencia con programas como Mendeley Desktop, quien sabe cuál será el futuro de esta herramienta). El programa, en su uso básico y educativo, es de aprendizaje rápido; los estudiantes pueden comenzar a obtener atractivas visualizaciones proteicas en pocos minutos tras la instalación y, tras aprender los comandos esenciales, realizar muchos ejercicios y experimentos in silico sencillos, con los que llevar a cabo un aprendizaje activo de la estructura de macromoléculas biológicas. 

 

Para nosotros se ha convertido en una herramienta imprescindible, pues también es muy útil en las clases magistrales, ya que permite crear presentaciones personalizadas y originales con las que profundizar en las estructuras. Junto con herramientas de renderización online, como sketchfab, podemos crear modelos en 3D que pueden mostrarse en cualquier momento. 

 

 

Al disponer los estudiantes de los datos y el programa, pueden reproducir lo que muestra el profesor y examinarlo ellos mismos. Asimismo, facilita a los estudiantes la introducción en las fuentes de datos que se utilizan profesionalmente. ChimeraX puede descargar datos directamente del Protein Data Bank y permite visualizar los datos estructurales que depositan los científicos en las bases de datos. Uno de nuestros proyectos de aprendizaje activo utiliza como punto de partida la página educativa del Protein Data Bank, PDB101. A partir de las descripciones, y buscando datos y bibliografía adicional, los estudiantes deben construir sus propias imágenes con ChimeraX, solo o en combinación con otras herramientas, y contribuir a una proteopedia en la que muestran lo que han aprendido acerca de una proteína. Mediante este proyecto, los estudiantes aprenden competencias tales como el manejo de bibliografía científica, las herramientas de visualización, publicación en web y la síntesis y redacción científica. 

 

La principal desventaja de ChimeraX es la complejidad de los comandos para el uso avanzado. Aunque las opciones para visualización sencillas son muy intuitivas, para la edición y análisis de las estructuras el programa no cuenta con tutoriales o tips. La propia ayuda del programa es confusa. Para paliar esto, estamos elaborando nuestro propio manual de uso educativo básico del programa, de modo que se pueda reducir el tiempo de dedicación al manejo del software. En cualquier caso, este software nos está ayudando a mostrar la Bioquímica y la Biología Molecular desde una perspectiva estructural e interactiva y es una potente herramienta educativa cuyas aplicaciones, gracias a la abundancia de datos estructurales de los que disponemos, sólo están limitadas por la imaginación. 

 

CONCLUSIONES DE LOS ESTUDIANTES

El uso de ChimeraX, en combinación con otras herramientas y con el manejo de fuentes de datos, es muy bien recibido por los estudiantes de asignaturas de Bioquímica en los primeros cursos de grado. Con el tiempo, lo incorporan a su arsenal de herramientas y lo utilizan en otros cursos, para hacer representaciones de macromoléculas en sus trabajos de fin de grado, e incluso en algunos casos, les motiva a profundizar en la bioinformática. He querido que sean los propios estudiantes que más han usado estas herramientas quienes comenten sus conclusiones, de las que comparto algunos ejemplos:

 

“A pesar de que algunos conceptos estudiados en Bioquímica pueden resultar complicados de visualizar, hay ciertas herramientas que pueden ayudar en el proceso de aprendizaje. Este es el caso de la aplicación denominada ChimeraX. Esto se debe a que el programa permite que los estudiantes podamos ilustrar la estructura de las proteínas que se nos introducen, facilitando la comprensión de la disposición de sus elementos y la relevancia que tienen en la funcionalidad de esta. Además, no solo reproduce el esqueleto de la molécula, sino que incluso permite señalar con distintos colores, texturas y tamaños partes concretas de la proteína a estudio (aminoácidos concretos, cofactores, sustratos). De este modo, facilita el análisis de los componentes y permite una más profunda comprensión. La mayor ventaja que cabe destacar es, que al tratarse de un software libre y utilizar códigos del PDB accesibles a cualquier estudiante, alienta a aquellos que les interese la bioquímica y la proteómica, a aprender de una forma interactiva y práctica. Esto también supone, que, a nivel formativo, se les acerca a las bases de campos laborales como la investigación biomédica o farmacéutica, brindándoles una perspectiva de futuro que quizás es más difícil de dilucidar cuando solo se cuenta con las clases teóricas”.

 

 

María Arranz Burón. Primer curso del grado en Biología Sanitaria, UAH.

“Como estudiantes de Biología Sanitaria, se espera de nosotros el estudio y la comprensión de las biomoléculas y las dinámicas de los organismos biológicos, en particular las del cuerpo humano. Dedicamos cuatro años a aprender sobre química, bilogía celular, microbiología, anatomía, y otr as ramas de la ciencia relacionadas con nuestra disciplina. Pero la bioquímica sin duda ocupa un papel central: es la ciencia subyacente a todas las demás. 

 

Es por eso que programas bioinformáticos como ChimeraX son una herramienta extremadamente útil en el estudio de las proteínas y los procesos del metabolismo. Hemos tenido la oportunidad de utilizar a fondo este programa, y aprender y descubrir una gran parte de sus funcionalidades. Es una aplicación muy completa, que permite conocer y dar a conocer todas las particularidades de cada proteína.

 

Como aspecto a mejorar, destacaríamos la complejidad de las guías de uso. Nos parecen un tanto liosas y poco claras, y buscar un simple comando puede complicarse a veces.

 

Por lo demás, recomendaríamos el uso de ChimeraX a cualquier persona en el ámbito de la bioquímica, pero en especial a los estudiantes curiosos e investigadores que, como nosotros, encuentran la inspiración y la diversión en los pequeños elementos que componen las grandes cosas”.

 

Javier Rubalcaba Arroyo, Lidia Parras Ramallo y Esther Torres Vasalo. Primer curso del grado en Biología Sanitaria, UAH. 

“Teníamos que hacer un trabajo para bioquímica explicando la estructura y función biológica de una proteína. Nosotras escogimos el EGF. Gracias a ChimeraX y los datos de PDB, hemos comprendido la unión entre la proteína y su receptor, además de los distintos dominios del receptor. Asimismo, hemos podido observar los puentes disulfuro y los residuos de cisteína de la proteína, ayudándonos a comprender mejor su funcionalidad. Realizar este trabajo nos ha enseñado en una profundidad que no se puede lograr a través de la teoría”.

 

 

Sonia Ramírez Duque y Lucía Rodríguez Martín. Primer curso del grado en Biología Sanitaria, UAH. 

EJEMPLOS DE ACTIVIDADES CON CHIMERAX

Ejercicio 1: Propiedades de las hélices alfa

Los estudiantes pueden usar ChimeraX para visualizar propiedades básicas de las hélices alfa proteicas. Para ello pueden tomar una estructura en PDB de una proteína y aislar una hélice alfa. Con ChimeraX pueden mostrar el modelo de cintas, observar hacia dónde se dirigen los grupos R de aminoácidos y representar las superficies según hidrofobicidad y carga eléctrica. ¿qué se observa? (Figura 4A).

 

Un ejercicio avanzado consiste en la observación de la importancia de la homoquiralidad en la estructura secundaria. Para ello, se modifican uno o varios aminoácidos de la hélice de su enantiómero L a D, y se minimiza de la energía de la estructura. ¿Qué se observa? ¿Qué podemos concluir si realizamos la representación de Ramachandran de la hélice? (Figura 4B)

 

Ejercicio 2: Aspectos claves en el plegamiento proteico.

Descargar y representar PDB 1E8L. Seleccionar los aminoácidos hidrófobos y, sobre el modelo de cintas, superponer los grupos R. ¿qué se observa y por qué? Repetir la misma operación con los aminoácidos con carga y polares (Figura 5). 

 

Ejercicio 3: Comparación por alineamiento estructural de RPL16 procariótica y RPL10E arqueal. 

En este ejercicio se puede comprobar el estudio del laboratorio de Ada Yonath sobre la similitud estructural de la proteína ribosomal implicada en el posicionamiento del tRNA en el sitio A en los diferentes reinos biológicos. Abrir lPDB 6PJ6 (subunidad mayor del ribosoma de E. coli). Seleccionar la cadena U y borrar el resto de los átomos de la estructura. Guardar como un nuevo PDB la proteína L16. Abrir PDB 1JJ2 (subunidad mayor del ribosoma de la arquea halofílica Haloarcula marismortui). Repetir el proceso con la cadena H, y separar la proteína L10E. Abrir la proteína L16 que hemos guardado anteriormente y realizar un ejercicio de alineamiento estructural con la herramienta matchmaker (Figura 6) ¿hay coincidencia de los motivos estructurales en ambas proteínas? Compara la similitud estructural con las secuencias de ambas proteínas. ¿hay residuos conservados? Este ejercicio se puede repetir para observar la conservación de motivos estructurales en diversos organismos y en familias de proteínas.

 

Ejercicio 4: Comparación de una predicción de Alphafold y una estructura experimental.

Continuando con el ejercicio anterior, utilizar Alphafold para generar el archivo PDB de la estructura predicha para la proteína ribosomal L10e de Haloarcula. Descargar los datos en ChimeraX y alinear estructuralmente con los datos obtenidos a partir de PDB 1JJ2. ¿Qué podemos afirmar acerca de la predicción?

 

Ejercicio 5: investigando la homología entre el factor de transcripción IIB humano y los factores sigma bacterianos.

Descargar los PDB 5IY7, 5I2D y 5BYH y realizar un alineamiento estructural con las cadenas A, D y D respectivamente. Después, ocultar todas las cadenas proteicas, excepto las cadenas M, F y M respectivamente. ¿Qué podemos observar? ¿Qué podemos afirmar acerca de la homología, la preservación de los plegamientos HTH y la co-localización de los factores de transcripción? Este ejercicio demuestra el parentesco entre todos los organismos del planeta y muestra la relación cercana entre arqueas y eucariotas. Este ejercicio lo propuso a quien esto escribe el profesor Zachary Burton, de Michigan State University, durante un encuentro sobre evolución y origen de la vida en 2018. El Prof. Burton estudia los factores de transcripción y fue quien me sugirió introducir Chimera en la docencia. Desde entonces se ha convertido en la base para presentaciones de clase y multitud de ejercicios para seminarios.

 

PARA SABER MÁS

Jumper J, Evans R, Pritzel A, Green T, Figurnov M, Ronneberger O, Hassabis D, (2021). Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature, 596(7873), 583-9.

Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Meng EC, Couch GS, Croll TI, Ferrin TE, (2021). UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Protein Science, 30(1), 70-82.

Zardecki C, Dutta S, Goodsell DS, Lowe R, Voigt M, Burley SK, (2022). PDB?101: Educational resources supporting molecular explorations through biology and medicine. Protein Science, 31(1), 129-40.

https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/ -Información y descarga del software ChimeraX.

https://theconversation.com/como-aumenta-lainfectividad-del-sars-cov-2-conforme-aparecenvariantes-154666 - Un ejercicio realizado con ChimeraX para mostrar cómo las mutaciones virales pueden mejorar la unión a los receptores

https://chemevol.web.uah.es/wp/estructurasmoleculares/catalogo-de-estructura-y-funcion-deproteinas/ - Estructura y función de proteínas. Proyecto de los estudiantes de primer curso del grado en Biología Sanitaria de la UAH.