15 enero, 2014

Un BLAST para enzimas

Las enzimas son las moléculas responsables de catalizar las reacciones químicas que se llevan a cabo en todos los seres vivos. Están formadas por largas cadenas de aminoácidos, en secuencias específicas determinadas por los genes, que adquieren estructuras tridimensionales complejas. Gracias a ellas podemos digerir los alimentos, desintoxicar las células, degradar los medicamentos y sintetizar nuevas proteínas, ADN, neurotransmisores y hormonas. En fin, debemos nuestro funcionamiento a ellas.

Para la primera mitad del siglo XX ya se habían identificado y caracterizado cientos de enzimas en distintos laboratorios del mundo, por lo que era necesario desarrollar algún mecanismo para agruparlas de acuerdo a sus propiedades químicas. Fue así que en la década de 1960, la Comisión Conjunta sobre Nomenclatura Bioquímica (JCBN) adoptó un sistema universal de clasificación enzimática que consistía de cuatro números: El primero corresponde a su función catalítica o mecanismo de acción (clase), el segundo al tipo de enlace que modifica (subclase), el tercero a la naturaleza del sustrato (sub-subclase) y el cuarto número indica específicamente el sustrato o es el número correlativo establecido por la JCBN. Por ejemplo, la tripsina (EC 3.4.21.4), es una hidrolasa (clase 3) que rompe con agua un enlace peptídico (subclase 4) usando para ello un residuo de serina en su centro activo (sub-subclase 21) y es la cuarta agregada a la lista de enzimas degradadoras de proteínas (4).

Ahora, gracias al desarrollo de analizadores químicos sofisticados y equipos de secuenciamiento de última generación, descubrimos nuevas enzimas con potenciales usos farmacéuticos, bioquímicos e industriales. Y no sólo eso, también la computación y la informática están poniendo de su parte a través del desarrollo de algoritmos y programas que permiten predecir, modelar y modificar las estructuras de las enzimas para obtener nuevas funciones. Por ello se requiere de un mecanismo rápido para comparar la función de las enzimas que se descubren y caracterizan día a día.

Es así que un grupo de investigadores del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) han desarrollado una herramienta bioinformática llamada EC-BLAST que permite mapear y comparar cualquier reacción enzimática en función al cambio de los enlaces químicos de los sustratos, el centro activo (lugar de la enzima donde se lleva a cabo la reacción) y la estructura de las moléculas participantes de la reacción enzimática. Gracias a unos algoritmos informáticos, cada uno de estos parámetros genera una "huella dactilar" que es comparada con las que están almacenadas en la base de datos del EMBL, para poder determinar la función de la enzima o su clasificación dentro del sistema universal.

EC-BLAST
Modo de funcionamiento del EC-BLAST

 

Para ver si el EC-BLAST funcionaba adecuadamente, los investigadores lo probaron utilizando las 6000 reacciones enzimáticas juntó a sus respectivos sustratos registrados en la base de datos de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kioto (KEGG). Los resultados fueron muy buenos. Las enzimas se agruparon de acuerdo a las clases y subclases a las que corresponden según su nomenclatura. Además permitió identificar algunos errores en la clasificación de ciertas enzimas, incluso se observó que algunas de ellas podían cumplir más de una función específica y podían pertenecer a diferentes clases (promiscuidad enzimática).

Resumiendo, el EC-BLAST ha demostrado ser una potente herramienta para comparar la similaridad química de las reacciones enzimáticas. Además es útil a la hora de asignar una clasificación a las enzimas recién descubiertas y podría ayudar a identificar nuevas funciones en las enzimas ya conocidas, que podría ser aprovechada por la industria biotecnológica.


Referencia:

ResearchBlogging.orgAsad, S, Martinez, S, Furnham, N, Holliday, GL, & Thornton, JM (2014). EC-BLAST: a tool to automatically search and compare enzyme reactions Nature Methods DOI: 10.1038/nmeth.2803

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