‘Revolución basada en la evolución’ obtiene el Nobel de Química

Tres científicos que pusieron la evolución a trabajar en el laboratorio han ganado el Premio Nobel de Química.

Frances Arnold, del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, recibió la mitad del premio de un millón de dólares por su trabajo en la «evolución dirigida» de enzimas, proteínas que catalizan reacciones químicas específicas. Las enzimas que resultaron de su investigación han hecho posible el desarrollo de nuevas formas de hacer productos farmacéuticos clave y procesos más ecológicos para fabricar productos químicos industriales. George Smith de la Universidad de Missouri en Columbia y Gregory Winter del Laboratorio de Biología Molecular (LMB) del Consejo de Investigación Médica en Cambridge, Reino Unido, comparten la otra mitad del premio por su investigación sobre la evolución dirigida de los anticuerpos, las proteínas del sistema inmunológico que se usan para reconocer invasores. Sus hallazgos permitieron la producción a gran escala de anticuerpos específicos, que han hecho posibles nuevos tratamientos para las enfermedades autoinmunes.

«El premio de este año en química premia una revolución basada en la evolución«, dijo Claes Gustafsson, presidente del Comité Nobel de Química. «Nuestros galardonados han aplicado los principios de [Charles] Darwin en los tubos de ensayo, y utilizaron este enfoque para desarrollar nuevos tipos de productos químicos para el mayor beneficio de la humanidad«.

En la década de 1990, Arnold fue el primero en demostrar cómo utilizar la evolución dirigida para producir nuevas enzimas. Su equipo comenzaría con una enzima que existe en la naturaleza y aislaría el gen que la codifica; luego, utilizaron diferentes técnicas para introducir mutaciones en el gen y reinsertar las nuevas variantes en bacterias. Las bacterias producirían una variedad de nuevas enzimas, que los investigadores analizaron por sus cualidades, como la capacidad de trabajar más rápido o en condiciones difíciles, como las altas temperaturas o la presencia de sustancias químicas. Recolectaron las bacterias que producían las enzimas deseadas y comenzaron el proceso nuevamente, en busca de una enzima aún mejor.

Arnold, un ingeniero químico, dice que muchos científicos no aceptaron de inmediato la idea de hacer un gran número de nuevas variantes de proteínas cambiadas al azar. «La gente de la industria, la gente que tenía que producir mejores proteínas, dijo: ‘Sí, esto tiene mucho sentido’. Las personas que querían entender las proteínas estaban horrorizadas. Dijeron: ‘Eso no es ciencia’. Dije: ‘Bueno, soy ingeniero’. El paradigma en ese momento era: obtienes una estructura de una proteína, usas tu gran cerebro para descubrir qué mutaciones hacer, vas y creas, ves que no funciona … Sólo los ingenieros harían algo así como mutagénesis al azar«.

Usando este método, los investigadores han podido producir enzimas que catalizan reacciones que no existen en la naturaleza. Eso hizo posible desarrollar, por ejemplo, nuevos tipos de combustibles derivados de plantas, nuevos procesos para fabricar químicos industriales sin metales tóxicos o solventes orgánicos, y nuevos productos farmacéuticos. Es probable que muchas de estas variantes útiles no se hubieran encontrado sin la estrategia de mutagénesis aleatoria, dice Arnold, la primera mujer y octava científica viva elegidas para las tres Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE. UU. «Encontramos mutaciones beneficiosas [que hacían mejores proteínas] de inmediato. Cuando fuimos y mapeamos esas estructuras de proteínas, nos dimos cuenta de que nadie podía predecirlas … Las mutaciones beneficiosas que afectan la función se extendieron por toda la proteína. Ni siquiera podríamos explicarlos y mucho menos predecirlos. Lamentablemente, eso sigue siendo cierto hoy en día«.

Los otros dos ganadores, Smith y Winter, también encontraron formas de aprovechar la evolución y los microorganismos para producir las proteínas deseadas, en su caso, anticuerpos en lugar de enzimas. Los anticuerpos son proteínas que el sistema inmunológico produce para reconocer invasores extraños y marcarlos para atacar. Los científicos los utilizan en una gran variedad de formas para reconocer e identificar proteínas específicas.

En la década de 1980, Smith describió una forma de usar fagos, virus que infectan las bacterias, para producir fragmentos de proteínas específicas y «mostrarlas» en su superficie. Esto permitió a los científicos detectar anticuerpos que se unen específicamente a proteínas clave. También permitió a los científicos identificar exactamente qué proteínas reconocen los anticuerpos clave. Esto fue especialmente útil para los científicos que trabajan con anticuerpos monoclonales, anticuerpos producidos artificialmente que son copias de carbono entre sí.

Winter encontró una manera de cambiar las tablas en el proceso: usó la técnica desarrollada por Smith para hacer que los fagos mostraran piezas clave de anticuerpos en su superficie. Este fue un gran avance porque permitió a los científicos detectar directamente los genes que producen anticuerpos contra casi cualquier proteína. (Tradicionalmente, los científicos producían anticuerpos inyectando proteínas en animales experimentales y luego purificando los anticuerpos de la sangre de los animales. Pero eso produce una mezcla de diferentes anticuerpos, algunos de los cuales se unen más fuertemente que otros a una proteína dada).

La técnica de Winter ha permitido a los investigadores producir, por ejemplo, un anticuerpo humano muy específico para una proteína llamada TNF-α, que desempeña un papel en varias enfermedades autoinmunes. El anticuerpo, llamado adalimumab, se usa para tratar la artritis reumatoide, la psoriasis y la enfermedad inflamatoria intestinal.

«No tenía idea de que [la técnica] fuera tan exitosa comercialmente«, dijo Winter en una conferencia de prensa en Cambridge. “En la década de 1990, la industria farmacéutica estaba dirigida por químicos. Para ellos, una droga era un químico. No creían que los anticuerpos fueran terapéuticos”. El campo aún está avanzando rápidamente, agregó; su propio equipo ahora está estudiando imitadores de anticuerpos más pequeños basados en péptidos, llamados bicicletas. “Tienen diferentes propiedades farmacológicas de los anticuerpos. Pero pueden penetrar profundamente en los tejidos y el cáncer«, dijo Winter.

El premio «reconoce maravillosamente el poder de aprovechar la evolución de las proteínas para resolver una amplia gama de problemas en las ciencias moleculares«, dice David Liu, químico y experto en evolución dirigida en la Universidad de Harvard. «Me quito el sombrero ante Smith, Winter y Arnold por sus contribuciones a este campo multidisciplinario que integra hermosamente la química, la biología molecular y la ciencia de las proteínas«.

«A primera vista, puede parecer que el Nobel de Química ha sido ‘biologizado’ nuevamente. A veces es difícil ver cómo una enzima, o un fago, es «química», ¡pero lo son!«, Dijo Oliver Jones, químico de la RMIT University en Melbourne, Australia, en un comunicado distribuido por el Science Media Center del Reino Unido. «La química sustenta muchas cosas en nuestras vidas, incluso si no siempre es inmediatamente evidente y es genial que estos descubrimientos sean reconocidos«.

Arnold tenía programado dar una conferencia en una universidad de Texas esta mañana cuando recibió la convocatoria del Nobel. Science la alcanzó en un aeropuerto donde tomaba un vuelo de regreso a California, luego de que la escuela cancelara la charla. «Voy a ir a casa y ver a mis hijos. Y voy a ir a Caltech y festejar con mis estudiantes«.

Winter dijo que no tenía «absolutamente ningún indicio» de que pudiera ganar un Nobel, a pesar de haber sido nominado en el pasado. Cuando recibió la llamada de Estocolmo, «me estaba recuperando de un banquete universitario, así que tomé un poco de aspirina y tomé un café«, dijo. «Por lo tanto, estaba un poco entumecido y pensé: ‘¿Esto es real?’«. La próxima fiesta será en LMB: «Ya me dijeron que la cuenta de champán será de £ 2.793 y que quieren tener mi número de tarjeta de crédito”.