Algunas de las máquinas más elegantes de la biología son proteínas que comparten un mismo origen pero que terminaron desempeñando funciones muy distintas. Cómo ocurre esa divergencia es una pregunta central en la evolución molecular. Un equipo que trabaja entre la Universidad de Kiel, el Sincrotrón Electrónico Alemán DESY y el Centro de Biología de Sistemas Estructurales (CSSB) abordó esa cuestión haciendo retroceder el reloj. Liderados por Holger Sondermann, profesor en la Universidad de Kiel y responsable del grupo de Microbiología Estructural en DESY, los investigadores reconstruyeron el ancestro común de dos enzimas bacterianas, produjeron en el laboratorio la proteína desaparecida hace mucho tiempo y la utilizaron para rastrear cómo surgieron funciones distintas a lo largo de la evolución. Sus hallazgos, publicados en Science Advances, ofrecen una rara mirada al pasado molecular y demuestran una estrategia poderosa para estudiar la evolución de las proteínas.
Dos enzimas, roles divergentes
Las dos enzimas examinadas en el estudio pertenecen a un grupo de proteínas conocidas como nucleasas, que descomponen moléculas construidas a partir de las unidades químicas del material genético. Aunque están relacionadas, han terminado ocupando nichos distintos dentro de la célula bacteriana.
La primera enzima, NrnC, es una especie de generalista. Descompone pequeñas moléculas formadas por dos bloques de construcción de ADN o ARN unidos entre sí. La segunda enzima, diDNase, realiza una reacción similar, pero se ha especializado: se dedica sobre todo a procesar moléculas compuestas por dos bloques de ADN. La diferencia puede parecer sutil, pero para una bacteria es importante. Poder degradar un tipo de ácido nucleico pequeño y no otro puede afectar la regulación génica, la reparación del ADN y el reciclaje del material genético.
El enigma científico, tal como lo plantearon Sondermann y sus colegas, no es solo qué hacen estas enzimas hoy. Es cómo proteínas tan cercanas desarrollaron preferencias tan distintas. En la gran escala de la evolución, un solo cambio de aminoácido puede alterar la forma, la estabilidad o la actividad de una enzima. Pero seguir ese camino es difícil cuando solo se observan los descendientes modernos. Hay que inferir el pasado, y la forma más directa de poner a prueba esas inferencias es recrearlo.
Los límites de estudiar enzimas vivas
El nuevo estudio se apoya en varios años de investigación del grupo de Sondermann. El equipo comenzó de manera convencional: comparando proteínas de distintas bacterias para determinar qué características se han conservado con el tiempo y cuáles han cambiado. Las regiones conservadas suelen ser esenciales para la estructura o la función, mientras que las variables pueden explicar diferencias de especificidad.
En estudios anteriores de una familia concreta de enzimas, Sofia Mortensen, científica del grupo de Sondermann, identificó un conjunto de proteínas estrechamente relacionadas con enzimas conocidas, pero que procesaban moléculas diferentes. Ese hallazgo abrió la puerta a investigar cómo ocurre la divergencia funcional dentro de una familia cuyas relaciones evolutivas ya estaban claras. Las proteínas eran evidentemente hermanas, pero se habían alejado en sus preferencias químicas.
El equipo intentó inicialmente explicar las diferencias entre ambas enzimas introduciendo cambios dirigidos en las proteínas. Este es un enfoque habitual en ingeniería de proteínas: mutar un aminoácido cada vez y ver qué sustitución convierte una actividad en otra. Pero en este caso la estrategia falló. Las proteínas modificadas o bien perdieron estabilidad o no lograron realizar la función esperada. Manipular la superficie visible de las enzimas no bastó para revelar la trayectoria evolutiva subyacente.
Mirar hacia atrás, no hacia adelante
Como las proteínas actuales resistían una explicación simple, los investigadores decidieron seguir otra ruta. En lugar de comparar solo las proteínas que existen hoy, miraron hacia atrás, a su historia evolutiva. Esa es la lógica de la reconstrucción de secuencias ancestrales, un método que usa las secuencias de muchas proteínas relacionadas para inferir la secuencia más probable de una proteína que existió hace millones de años.
El equipo primero construyó un árbol evolutivo detallado de la familia de enzimas, situando a NrnC, diDNase y otros parientes según la similitud de sus secuencias de aminoácidos. Con ese árbol en mano, pudieron calcular la secuencia más probable del ancestro común del que descendían ambas enzimas. Luego llegó el paso verdaderamente ambicioso: sintetizaron el gen, lo expresaron en el laboratorio y produjeron la proteína antigua en una forma que podía estudiarse directamente.
Esta proteína resucitada es más que una reliquia. Sirve como punto de partida para experimentos. Al recrear un estado ancestral, el equipo puede introducir cambios uno por uno y observar cómo cada modificación empuja a la proteína hacia una función moderna u otra. En efecto, la enzima antigua es una máquina del tiempo molecular que permite a los investigadores reproducir la evolución en un tubo de ensayo.
Una visión estructural del pasado molecular
El estudio también aporta una perspectiva estructural. Los investigadores pudieron observar la estructura tridimensional del ancestro reconstruido de las enzimas diDNase. Ver la forma de una proteína antigua ayuda a explicar por qué ciertas mutaciones fueron toleradas y otras no. También aclara cómo el sitio activo, la región en la que la enzima lleva a cabo su reacción química, fue remodelado con el tiempo para aceptar distintos sustratos.
Como la enzima ancestral precede a la separación entre NrnC y diDNase, su estructura probablemente representa un estado en el que ambas funciones aún eran posibles. Al comparar esta estructura ancestral con las estructuras modernas de NrnC y diDNase, el equipo puede identificar los cambios precisos que inclinaron la enzima hacia una especialización u otra. Este tipo de información es difícil de obtener examinando solo enzimas modernas, porque millones de años de evolución posterior pueden ocultar los pasos iniciales que llevaron a una proteína por un camino concreto.
Implicaciones para la evolución fundamental y la ingeniería de proteínas
Los hallazgos aportan ideas sobre cómo las proteínas pueden evolucionar funciones distintas a lo largo de la evolución, pero sus implicaciones van más allá de la curiosidad básica. Entender cómo la naturaleza remodela las proteínas es valioso para los científicos que quieren diseñar enzimas personalizadas para biotecnología, medicina o química industrial.
La evolución natural es un proceso incremental. No diseña una proteína desde cero, sino que modifica las existentes, a menudo aprovechando la flexibilidad de un ancestro que ya tenía una actividad baja frente a varios sustratos. El caso de NrnC y diDNase ilustra este principio con una claridad inusual. Evidentemente, la enzima ancestral era capaz de dar lugar a dos especialistas diferentes, cada uno afinado para un tipo distinto de pequeña molécula de ácido nucleico.
Para los ingenieros de proteínas actuales, la lección es que simplemente mutar residuos en una enzima contemporánea puede no reproducir la ruta que siguió la naturaleza. A veces, las reglas que gobiernan la evolución de una enzima están enterradas profundamente en su historia. Para cambiar una proteína de manera significativa, puede ser necesario pensar como un paleontólogo evolutivo y considerar las formas antiguas de las que surgieron las proteínas actuales.
Un plan para rebobinar la evolución
El estudio también ofrece un modelo metodológico para otros grupos de investigación. La reconstrucción de secuencias ancestrales no es nueva, pero combinarla con biología estructural y resurrección en el laboratorio está empezando a producir hallazgos notables. La infraestructura de CSSB y DESY permite a los investigadores reunir análisis evolutivo, producción de proteínas y determinación estructural de alta resolución bajo un mismo marco intelectual.
El éxito del equipo también subraya el valor de la persistencia. Los experimentos iniciales de mutación fracasaron, y solo al dar un paso atrás y adoptar una visión evolutiva más larga los investigadores pudieron avanzar. En ciencia, como en evolución, a veces el camino hacia adelante exige ir hacia atrás.
Mirando al futuro
Harán falta más experimentos para trazar toda la trayectoria desde la enzima ancestral hasta los especialistas modernos. Ahora que tienen la proteína reconstruida, los investigadores pueden comenzar a intercambiar mutaciones que separan ambos linajes y observar las consecuencias en tiempo real. Cada experimento añadirá un nuevo detalle al panorama de cómo evolucionó esta familia y quizá ofrezca principios generales aplicables a muchas otras proteínas.
Para los no especialistas, el trabajo recuerda que la evolución no solo es una fuerza que moldea elefantes y orquídeas, sino también una escultora de las máquinas moleculares que hay dentro de cada célula viva. Al revivir una proteína perdida en el tiempo, un equipo de científicos ha demostrado que el pasado no siempre está fuera de alcance. A veces puede reconstruirse, estudiarse y hacer que revele sus secretos.
Este artículo se basa en información de Phys.org. Leer el artículo original.
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