¿Qué permite que una cadena larga de aminoácidos enlazados realice funciones moleculares muy específicas con una precisión de máquina? La respuesta es una estructura similar a una máquina. La Figura 2 muestra un ejemplo (entre miles) de estas notables estructuras. La máquina de varias partes representada es una ATP sintasa, un ensamblaje de 22 moléculas de proteína que produce la molécula de energía ATP. Los bioquímicos se refieren a esto como una enzima porque logra una conversión química (haciendo ATP a partir de ADP). Pero no es exagerado llamarlo también una máquina molecular. Operando como un nano-generador sofisticado, la ATP sintasa tiene un rotor (que consta de las partes etiquetadas como anillo c, y, y E) que gira a 8 000 rpm.

Pero, ¿cómo las largas cadenas de aminoácidos enlazados forman partes estables para hacer máquinas como esta? La respuesta corta es que es posible que los diferentes aminoácidos estén dispuestos a lo largo de la cadena de tal manera que todo se bloquee en una forma tridimensional específica. El proceso se denomina plegamiento de proteínas, y el término plegado se refiere a la forma general. La Figura 3 ilustra los conceptos básicos.

Hice hincapié en la palabra posible allí por una razón. Un gen aleatorio especificaría una secuencia aleatoria de aminoácidos, que se movería sin plegarse. Cadenas como esa se vuelven a descomponer rápidamente en aminoácidos para evitar que interfieran con los procesos celulares. Se necesitan secuencias de aminoácidos muy especiales para que las cadenas de proteínas se plieguen en estructuras estables.

Midiendo algo notable

Es posible medir cuán especiales deben ser estas secuencias moleculares debido a que los genes aleatorios son inútiles, la mejor manera de hacerlo es comenzar con un gen natural que especifique un rasgo seleccionable mediante la producción de una proteína que imparta este rasgo. Existen métodos de laboratorio para introducir mutaciones aleatorias en el gen elegido. Esto se puede hacer de manera controlada restringiendo cuántos cambios ocurren o limitando las mutaciones a una pequeña porción del gen. Al comenzar con un gen que especifica una proteína de trabajo y al controlar de esta manera el grado en que el gen está mutado, los experimentadores pueden producir un gran número de versiones mutantes del gen, algunas de las cuales casi con certeza seguirán funcionando.

Basándome en un trabajo anterior de este tipo, apliqué el método a un gen natural que permite a las bacterias inactivar antibióticos similares a la penicilina. El rasgo en este caso es la resistencia a los antibióticos, que es muy fácil de seleccionar en el laboratorio. Primero, uno simplemente coloca las bacterias en placas de Petri con una pequeña cantidad de penicilina. Las células que portan una versión mutante del gen que especifica una enzima que aún es capaz de romper la penicilina formarán colonias visibles en las placas de Petri, mientras que las células con genes inactivos morirán. Elegí cuatro grupos de aminoácidos, diez cada uno, para mis experimentos. En cada experimento, muté en gran medida las ubicaciones de los genes para un grupo, lo que resultó en muchos genes mutantes, cada uno de los cuales especificaba una versión mutante de la enzima con una mezcla de aminoácidos en esas diez ubicaciones. De aproximadamente 100,000 genes mutantes probados por grupo, se encontró que algunos funcionaban en tres de los grupos. Ninguno en el cuarto. Probando más mutantes presumiblemente habría encontrado algunos que funcionaron en ese cuarto grupo. En cualquier caso, pude estimar a partir de estos resultados una fracción de genes mutantes que funcionan para cada grupo, aunque esta fracción es realmente una estimación de límite superior para el cuarto grupo.

La construcción de proteínas a partir de aminoácidos. Los aminoácidos se enlazan uno a uno en la secuencia precisa especificada por un gen, para formar una molécula larga y flexible en forma de cadena (arriba a la derecha). Las secuencias de aminoácidos especificadas por la mayoría de los genes naturales tienen la propiedad muy especial de hacer que toda la cadena se pliegue en una estructura tridimensional bien definida. un ejemplo del cual se muestra en la parte inferior izquierda. Los científicos utilizan representaciones simplificadas para facilitar la visualización de las características de estas estructuras proteicas plegadas. el más común es el diagrama de «cinta». que se muestra para la misma proteína (llamada beta-lactamasa) en la parte inferior derecha. Cada bobina en un diagrama de cinta representa un elemento de estructura llamado hélice alfa, y cada flecha representa una hebra beta. Estos dos elementos constituyen la mayor parte de las estructuras de todas las proteínas. con las conexiones entre los elementos llamados giros o bucles. Aunque los bucles se ven flojos, como espaguetis. por lo general, tienen una estructura firmemente fija al igual que el resto de la proteína. (Reimpreso de Undeniable, con permiso).

A partir de estas estimaciones basadas en experimentos, calculé la fracción de proteínas mutantes que se esperaría que funcionaran si todo el gen hubiera mutado de manera similar. Esta fracción está estrechamente relacionada con otra fracción que tiene una gran importancia para la evolución de las proteínas. Pero antes de hablar sobre lo que resultó ser esta fracción importante, tomemos un tiempo para comprender el pensamiento evolutivo lo suficientemente bien como para poner esta fracción en su contexto adecuado …

Regresemos a las proteínas

Volviendo ahora a las proteínas, ¿qué aportan al asunto? La respuesta es que ejemplifican los principios de sentido común por los cuales rechazamos correctamente las descripciones de la vida accidentalmente originada. Podemos captar y afirmar plenamente estos principios sin pasar al tema de las proteínas (o cualquier otro tema técnico), pero en las proteínas encontramos una elegante confirmación.

La fracción importante a la que me referí anteriormente es la probabilidad de que una cadena aleatoria de aminoácidos tenga las propiedades físicas especiales necesarias para plegarse en una estructura estable que sea adecuada para una función particular. Dicho en términos evolutivos, asumiendo que una nueva capacidad particular que se puede lograr con un nuevo pliegue de proteína beneficiaría a un organismo, y que un error genético en ese organismo ha producido una secuencia genética que difiere sustancialmente de lo que existía antes, esta fracción es la probabilidad de que el nuevo gen codifique una nueva proteína que realice la nueva función deseable. Utilizando los resultados de mis experimentos con la enzima resistente a la penicilina, calculé que esta probabilidad estaba en el estadio de béisbol de:

1 una posibilidad en 100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

Artículo publicado originalmente en inglés por Douglas Axe Ph.D. en Evolution News & Science Today