Investigadores del BIFI descubren cómo una simple mutación podría convertir enzimas que hidrolizan carbohidratos en enzimas que los sintetizan

La vieja concepción de que los carbohidratos son simplemente una fuente de energía ya hace tiempo que pasó a la historia. Hoy en día es bien conocido que los carbohidratos juegan un papel fundamental en un sinfín de procesos moleculares dentro de la célula, desde la detección de agentes patógenos como bacterias hasta la comunicación celular. Es por ello que hay un gran interés en el diseño de fármacos que mimetizen la estructura de carbohidratos, ya que estos serían fácilmente asimilados y reconocidos por parte del sistema biológico receptor. No obstante, la síntesis de carbohidratos es extremadamente compleja, requiriendo años de trabajo y obteniendo bajos rendimientos por medio de métodos de síntesis química convencional. Este contratiempo, claramente, cierra las puertas a todo un arsenal de fármacos potenciales que podrían usarse para tratar distintas enfermedades en las que los carbohidratos se ven involucrados, como la enfermedad de Krabbe, la Diabetes o el Cáncer.

“La alternativa, como siempre, se encuentra en la naturaleza: a lo largo de años y años de evolución ésta ha diseñado unas enzimas llamadas glicosil transferasas que son capaces de sintetizar carbohidratos de manera eficiente, pero su uso en el laboratorio resulta tan costoso y complejo que no es una vía factible ni para grandes farmacéuticas ni para grupos de investigación como el nuestro.” señala Ramón Hurtado-Guerrero, investigador ARAID ubicado en el instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI). Los investigadores del BIFI de la Universidad de Zaragoza, en colaboración con investigadores nacionales de la Universidad de Barcelona e internacionales de la Universidad de Dundee (Reino Unido), han desvelado el mecanismo de acción de una glicosil hidrolasa – enzima que hidroliza carbohidratos – que tiene cierta actividad sintética.

“Paradójicamente las enzimas que hidrolizan carbohidratos, mucho más fáciles de manipular y capaces de usar sustratos menos costosos, pueden ser la base de la solución para sintetizarlos.” afirma Ramón Hurtado-Guerrero. En estas enzimas, los caminos hidrolíticos y sintéticos no se definen hasta llegar a un punto clave llamado intermedio covalente, una bifurcación en la que moléculas de agua (que definen el camino hidrolítico) y otros carbohidratos (que definen el camino sintético) compiten en una carrera para ver quien llega primero a producir la reacción. “Si logramos poner obstáculos al camino hidrolítico, si ralentizamos su marcha, conseguiremos mejorar la síntesis. La naturaleza nos ha dado estructuras que tienen una gran afinidad para unirse con carbohidratos pero que presentan la función opuesta a la que deseamos. Si somos capaces de entender la maquinaria de estas enzimas a nivel molecular, de desentrañar sus secretos, podremos realizar pequeñas modificaciones en su estructura para revertir su función original y dar ventaja al camino sintético.” apuntan Lluís Raich y Carme Rovira, investigador predoctoral e investigadora ICREA de la Universidad de Barcelona.

La prestigiosa revista Journal of the American Chemical Society recoge el estudio en el que, por medio de técnicas de cristalografía de rayos X, los investigadores han logrado atrapar la primera estructura natural del intermedio covalente de una glicosil hidrolasa, el punto clave para entender los caminos divergentes de hidrólisis y síntesis. Esta estructura, a parte de permitir analizar todas las interacciones cruciales entre el sustrato y la enzima, ha sido el punto de partida ideal para relizar simulaciones mecanocuánticas a nivel atómico y molecular con el uso de superordenadores. “La combinación de diferentes disciplinas es fundamental para lograr entender los secretos que esconde la naturaleza. Las simulaciones mecanocuánticas han sido esenciales para ver exactamente qué pasa en el seno de la enzima mientras se produce la reacción.” señala Ramón Hurtado- Guerrero. Por medio de las simulaciones los investigadores han detectado la interacción clave de un aminoácido que, al mutarlo, haría aumentar la actividad sintética de la enzima hidrolítica estudiada. El punto culminante de esta predicción es que la mutación podría ser extendida a un gran número de glicosil hidrolasas, pues varias estructuras analizadas conservan este patrón de interacción. De confirmarse la predicción estas enzimas modificadas supondrían un gran avance para la síntesis de carbohidratos y su correspondiente aplicación biotecnológica y biomédica.

Lluís Raich, Vladimir Borodkin, Wenxia Fang, Jorge Castro-López, Daan M F van Aalten*, Ramon Hurtado-Guerrero*, and Carme Rovira*. A trapped covalent intermediate of a glycoside hydrolase on the pathway to transglycosylation. Insights from experiments and QM/MM simulations. * corresponding authors Publication Date (Web): February 9, 2016 (Communication) DOI: 10.1021/jacs.5b10092