Todo en biología puede reducirse a átomos individuales. Averiguar cómo estos átomos forman moléculas, cómo interactúan entre sí y qué significa esto para los organismos biológicos es el enfoque del trabajo de la Dra. Angela Gronenborn en la Universidad de Pittsburgh.
DRA ANGELA M GRONENBORN
UPMC Rosalind Franklin Cátedra y Profesora Distinguida, Departamento de Biología Estructural, Universidad de Pittsburgh, EE.UU.
Nacional de Ciencias de los Institutos Nacionales de Salud
https://doi.org/10.33424/FUTURUM79
Asistiendo a la Marcha por la Ciencia, 2017, en Washington DC.
La Dra. Angela Gronenborn pronunciando una conferencia.
El hijo de Naima, Julius, visitando el laboratorio y jugando con un modelo de proteína.
Angela en la reunión de asBMB (Sociedad Americana de Bioquímica y Biología Molecular) 2019 con su colega, Lila Gierasch.
Angela y su hermano, Bruno Gronenborn, haciendo senderismo en los Alpes italianos.
La biología estructural es el estudio de la estructura molecular y las interacciones de las macromoléculas biológicas. En particular, se centra en las proteínas y los ácidos nucleicos, que son responsables de la mayoría de las funciones complejas y fundamentales dentro de las células. Es un campo que incorpora aspectos de la biología molecular, la bioquímica y la biofísica.
"Todoos días hay un nuevo rompecabezas", dice
Descubrir las interacciones moleculares que gobiernan las células
biológicas no es sencillo. Hay una serie de técnicas que los
biólogos estructurales utilizan para averiguar qué está pasando a
nivel molecular.
Piense en la analogía del elefante y las personas con los
ojos vendados: cada persona puede sentir una parte del elefante:
su trompa, su pata, etc. pero solo comunicándose entre sí
pueden tener una idea de cómo se
ve toda la criatura. Es lo mismo en biología estructural: solo
a través de
diferentes equipos de investigadores, utilizando diferentes
técnicas y
colaborando, pueden tener una idea del panorama general y
tener
un impacto efectivo y positivo en el mundo.
ESPECTROSCOPIA DE RMN
Angela Gronenborn es una defensora de la espectroscopia de
resonancia
magnética nuclear (RMN), una técnica utilizada para averiguar
la estructura
de las proteínas y otras moléculas. En primer lugar, la molécula
objetivo
se crea con ciertos isótopos dentro de su estructura. Cada isótopo
tiene
su propia identidad magnética y vibrará a una cierta frecuencia
cuando
se expone a un campo magnético. La RMN consiste en colocar
estas
muestras dentro de un campo magnético fuerte y registrar los
patrones
de excitación que emiten los isótopos involucrados. Estas
"frecuencias
de resonancia" se registran y utilizan para identificar la estructura
de la molécula. Una vez que se recopila esta información,
se somete
a un análisis complejo utilizando sofisticadas herramientas
computacionales. El producto final es un modelo tridimensional
que se puede visualizar y explorar en una pantalla de computadora.
ISÓTOPOS Y FLÚOR
Los isótopos se forman cuando un átomo tiene un número diferente
de
neutrones a protones, una propiedad que les da una firma única
sin
dejar de conservar todas las propiedades químicas normales del
elemento. Una forma común de obtener isótopos en la molécula
objetivo es cultivar bacterias en nutrientes ricos en isótopos para
que se incorporen a sus biomoléculas, que luego se extraen.
Los isótopos comunes utilizados en la RMN incluyen deuterio
(hidrógeno-2), carbono-13 y nitrógeno-15, porque estos son
isótopos
accesibles de los elementos que son más comunes dentro de los
organismos.
Sin embargo, la investigación de Angela utiliza flúor-19 en lugar de
los
isótopos más convencionales.
El flúor no se encuentra naturalmente
dentro de las biomoléculas. "El objetivo general de este programa
de investigación es establecer la espectroscopia de RMN de
flúor-19
como un enfoque versátil para describir la estructura y la
geometría
de las proteínas", dice. La principal ventaja de usar flúor es que
rara
vez sufre de interferencia de fondo. Debido a que los isótopos de
hidrógeno, carbono y nitrógeno se encuentran comúnmente en la
naturaleza, a menudo aparecen en la RMN incluso cuando no son
parte de la molécula objetivo. Agregar flúor-19 a una molécula
significa que, si su frecuencia de resonancia aparece en el análisis,
es casi seguro que está dentro de la molécula objetivo.
Sin embargo,
debido a que no es una parte natural de la mayoría de la biología,
los investigadores deben estar atentos al agregarlo a las moléculas.
"Cada proteína se comporta de manera diferente y siempre tenemos
que asegurarnos de que el patrón de plegamiento de la molécula o
su estabilidad no se vea influenciado".
APLICACIONES DEL MUNDO REAL
"El proyecto implica una integración de enfoques computacionales
y
experimentales", dice Angela. "También planeamos integrar la
formación
científica con las humanidades, para ayudar a preparar a
los
estudiantes para comunicar la ciencia al público". El equipo
espera
demostrar la utilidad de la RMN con flúor como una técnica para
descubrir información importante que otras técnicas no pueden.
El equipo de Angela ya ha logrado avances en el uso de la RMN
con flúor para descifrar proteínas y pequeñas moléculas
farmacéuticas. Esto tiene algunas aplicaciones prácticas
importantes.
"Usaremos la RMN con flúor para realizar exámenes de detección
de drogas, lo que debería ser muy útil para el diseño de
medicamentos",
dice. Angela espera utilizar la técnica en células vivas, para
poder ver lo
que las proteínas están haciendo en tiempo real. El equipo también
ha encontrado algunos efectos inesperados, en particular con
respecto a las propiedades de fluorescencia de las moléculas,
en otras
palabras, la radiación que emiten. "Siempre hay sorpresas",
dice Angela. "Eso es lo bueno de la ciencia: siempre hay un nuevo
rompecabezas que resolver".
HABLA COMO UN BIÓLOGO ESTRUCTURAL
FLÚOR: Un elemento relativamente ligero que viene después del
oxígeno en la tabla periódica. A menudo no está presente de
forma natural en los organismos, particularmente en los animales.
ISÓTOPO: Variedad de un elemento que tiene un número diferente
de neutrones a protones. Pueden escribirse como (por ejemplo)
carbono-13 o 13C, donde el número se refiere a la suma de los
protones y neutrones del elemento.
MACROMOLÉCULA: Molécula que contiene un gran número de
átomos, como una proteína o ácido nucleico.
Tipo de espectroscopia que consiste en poner moléculas en
un campo magnético y registrar la señal producida por la
excitación de la muestra.
ÁCIDO NUCLEICO: Las biomoléculas que componen el código
genético de los organismos, es decir, el ADN.
PROTEÍNA: Una biomolécula hecha de aminoácidos, que están
codificados por ácidos nucleicos.
ESPECTROSCOPIA: Técnica que consiste en estudiar la
interacción de moléculas y radiación electromagnética
(por ejemplo, ondas de radio).
CAMPO DE INVESTIGACIÓN: Biología Estructural
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: Investigar las
aplicaciones de la espectroscopia de RMN flúor como
técnica para la comprensión de la biología estructural.
FINANCIADOR: Fundación
ACERCA DE LA BIOLOGÍA ESTRUCTURAL
¿QUÉ ES LA BIOLOGÍA ESTRUCTURAL?
PREGUNTÉMOSLE A ÁNGELA:
¿QUÉ ES LO QUE ENCUENTRAS MÁS GRATIFICANTE DE TU T
RABAJO?
Angela. "No hay dos problemas iguales y cada vez se trata de trabajar
progresivamente hacia la explicación más probable. Esto implica mucha
deducción: probar todas las explicaciones posibles y descartarlas si
no se sostienen, hasta que te encuentres con la que tiene más
probabilidades de ser cierta".
¿QUÉ CUALIDAD PERSONAL ENCUENTRAS MÁS ÚTIL PARA TU
INVESTIGACIÓN?
"Tengo mucha suerte de tener una muy buena memoria visual", dice
Angela. "Entonces, una vez que he visto un modelo de proteína, sé
cómo se ve. Mirar una proteína en una pantalla, darle la vuelta y
seleccionar cada detalle, se arraiga en mi mente".
¿POR QUÉ ES TAN IMPORTANTE UN ENFOQUE INTEGRADO Y
COLABORATIVO?
"La naturaleza es compleja y la complejidad debe abordarse en su
totalidad", dice
Angela. "Con cualquier método que utilicemos para ver un objeto,
omitimos algunas de sus características y solo obtenemos una vista
parcial. Necesitamos integrar muchos de estos puntos de vista para
acercarnos a una comprensión más completa. Y, desde una
perspectiva práctica, la colaboración me ayuda a hacer una mejor
ciencia. No podemos ser expertos en todo, pero al combinar
nuestras áreas de especialización, ¡podemos llegar a ser imbatibles!"
¿QUÉ PROYECTO A GRAN ESCALA TE GUSTARÍA QUE SE
HICIERA REALIDAD?
"Como biólogos estructurales, nos encantaría tener una 'película' c
ompleta de una célula y ver cómo se ve afectada por la enfermedad
y otros
factores. Luego podemos usar nuestra comprensión estructural para
investigar las vías moleculares que han salido mal y elaborar soluciones.
Eso sería fantástico".
¿CUÁL CREES QUE ES EL MAYOR DESAFÍO DE LA EDUCACIÓN
CIENTÍFICA?
"Creo que todos los niños pequeños son naturalmente curiosos y
podrían sentirse atraídos por la
ciencia. Desafortunadamente, "aprender haciendo" no es un enfoque
común en las escuelas para enseñar ciencias, y esto puede significar
que muchos no alcanzan la comprensión científica básica.
Como científicos, tenemos que tratar constantemente de educar
a quienes nos rodean".
• La biología estructural rara vez es un curso de pregrado en sí mismo,
pero sus primos cercanos, la biología molecular y la bioquímica,
a veces lo son. El material relevante a menudo también se cubre
dentro de cursos más amplios de biología y química.
• Según UK News, las mejores universidades del Reino Unido para
cursos que involucran biología molecular y genética son Cambridge,
Oxford, University College London, Edimburgo e Imperial College
London.
• Según US News, las mejores universidades estadounidenses para
cursos de biología molecular y genética son Harvard, MIT,
Stanford, California (San Francisco) y John Hopkins.
• Según Payscale.com, el salario promedio de un biólogo molecular
es de $ 59k.
CAMINO DE LA ESCUELA AL BIÓLOGO
ESTRUCTURAL
Angela recomienda tomar matemáticas, física y química en la escuela.
La biología también puede ser útil, pero no siempre es esencial:
Angela no tiene antecedentes biológicos.
También aconseja buscar una educación completa,
con literatura e idiomas si es posible.
En la universidad, cursos como bioquímica, biología molecular
biomedicina y otros temas similares pueden conducir a una
carrera en biología estructural.
¿CÓMO SE CONVIRTIÓ LA DRA.
ANGELA GRONENBORN EN BIÓLOGA
ESTRUCTURAL?
¿DE DÓNDE VIENE TU PASIÓN POR LA CIENCIA?
No estoy exactamente seguro. En la escuela, estaba convencida de
que iba a ser matemática, pero el director y mi padre me advirtieron
que sería una carrera difícil como mujer. Entonces, decidí que
estudiaría física y química. La verdadera emoción vino durante mi
doctorado cuando fui expuesto al nuevo campo de la biología
molecular por mi hermano biólogo.
Decidí que finalmente usaría mi entrenamiento en RMN
para estudiar sistemas biológicos, lo cual era imposible en ese momento.
¿CÓMO SUPERAS LOS OBSTÁCULOS EN TU TRABAJO?
Soy muy terco y obstinado. Lo intentaré de nuevo, incluso si algo
parece casi imposible. Me obsesiono con un problema y no puedo
dejarlo ir.
¿QUÉ TE GUSTA HACER FUERA DEL TRABAJO?
No necesito desconectarme, porque no veo la investigación como un t
TRabajo. ¡Soy muy afortunado de que me paguen por hacer mi pasatiempo!
Hay muy pocas profesiones en las que uno tiene tal privilegio, artistas tal
vez, pero en comparación con los artistas, nos pagan realmente.
Sin embargo, disfruto del arte y la música, y dondequiera que viaje
para dar conferencias, hago tiempo para visitar un museo.
¿CUÁLES SON TUS OBJETIVOS PARA EL FUTURO?
Espero poder ayudar a mis estudiantes a lograr lo que quieren lograr.
He tenido mucha suerte en mi carrera y quiero empoderar a esos
aparendices dentro de mi esfera de influencia para que encuentren
su propia suerte.
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