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Hola. Mi nombre es Ron Vale. Soy profesor
de la Universidad de California, en San Francisco,
y un investigador en el Howard Hughes Medical Institute.
En estas tres conferencias me gustaría hablarles acerca de
movilidad biológica. Existen algunos tipos de movilidad biológica
con los que todos estan familiarizados.
Por ejemplo, la contracción de los músculos,
o quizás el movimiento de los espermatozoides
o el movimento de cilios y flagelos.
Pero también es cierto que el interior de todas las células eucarióticas
es abundante y burbujeante con movimientos intracelulares de todos los tipos.
Permítanme mostrarles el interior de un axón gigante de calamar
visto en tiempo real a través de video microscopía.
Esto es muy similar a los experimentos originales de Bob Allen, Scott Brady,
y Ray Lasek. Como ustedes pueden ver aquí
hay una cantidad tremenda de movimiento.
Pequeños organelos de todos los tipos que se encuentran viajando entre
el cuerpo neuronal y el terminal nervioso.
Y estos elementos parecidos a largas serpientes son mitocondrias.
Ellas también están moviéndose a través de este citoplasma que es muy denso.
De hecho, si usan el microscopio en cualquier célula eucariótica
podrán ver mucha movilidad celular, como ésta.
Aquí hay otro ejemplo importante
de movilidad intracelular: el proceso de división celular.
Aquí, el ADN está en verde y los microtúbulos en rojo.
El ADN converge en el medio y luego
ocurre la separación física de las cromátidas hermanas
para repartir equitativamente el material genético.
Todo este fantástico movimiento intracelular es dirigido
por maquinarias biológicas llamadas motores moleculares.
Y aquellas serán el tema principal de estas charlas.
Y sólo para animarlos
a pensar en estas máquinas moleculares,
me gustaría mostrarles una animación desarrollada por XVIVO,
junto con Harvard y el Howard Hughes Medical Institute,
que nos lleva al interior de la célula para mostrarles un poco
acerca de qué pueden estar haciendo estas maquinarias moleculares.
Lo que yo espero que ustedes puedan apreciar de este notable video
es que el interior de la célula está lleno con máquinas muy interesantes.
Quizás ellas no trabajan exactamente como se muestra en el video,
pero la esencia de el video muestra
que el interior de las células es bastante complicado.
Existen muchas maquinarias moleculares que están trabajando juntas
para crear todo un complejo comportamiento celular
que hacen que la célula funcione y ejecute una serie de complejos comportamientos
y habilidades. Entonces, nuestra meta como científicos es tratar de entender
cómo las células funcionan, cómo estas máquinas trabajan cooperativamente.
Y por analogía, y este es un problema muy difícil, por analogía
imaginemos que venimos a esta planta química que les muestro aquí,
que es también una empresa muy complicada
sin tener un conocimiento particular en ingeniería química o sin tener
el beneficio de ver cómo esta planta química
fue construída desde el primer momento.
Y esto es un poco análogo a lo que estamos tratando de hacer en biología:
Entender cómo trabajan los sistemas complejos. Entonces, ¿qué podemos hacer?
Bueno, podemos venir a esta planta química
y observarla, podemos ver personas yendo y viniendo de esta planta,
y ver camiones transportando materiales,
máquinas en acción en esta planta química.
Y esto es un poco análogo a lo que hacemos
como biólogos celulares con microscopios, es mirar el comportamiento celular
y deducir cómo las células trabajan desde la pura observación.
También podemos medir el material que fluye en esta planta.
Podemos ver químicos ingresando y varios químicos saliendo
de esta planta, y podemos seguir el flujo del material a través de este sistema.
Quizás un poco parecido a lo que los biólogos de sistemas están tratando de hacer estos días.
También podemos tomar la ruta de "deshabilitar".
Podemos tomar nuestro martillo
y deshabilitar parte de la maquinaria,
y de eso quizás podemos deducir qué partes
de la maquinaria en la planta química
está realizando aquel tipo de función.
Esto es parecido a lo que realizan los genetistas.
Y, de hecho, en la tercera parte de mi conferencia me gustaría mostrarles
cómo estas tres herramientas pueden ser aplicadas para entender
un tipo de movilidad intracelular y una
estructura muy compleja, que es el huso mitótico.
Pero aquí, además de estudiar toda la fábrica
en su conjunto, podemos también apreciar
que si caminamos dentro de la fábrica
encontraremos que está hecha de extraordinarias máquinas
tales como este cinturón de vapor.
Y cada una de estas máquinas individuales está diseñada muy precisamente
con especificaciones exactas para su función
y es regulada de varias importantes formas.
Y, es la función de muchas de estas máquinas
que hacen funcionar esta planta química.
Y necesitamos conocer efectivamente los detalles
de cómo cada una de estas máquinas funcionan
si queremos también entender cómo esta planta química
funciona como un todo.
Y este es, de hecho, otro aspecto importante de la biología,
y en la segunda parte de esta conferencia
les daré un recorrido por una maquinaria molecular fascinante,
el motor citoplasmático llamado dineína,
y las herramientas que usamos para tratar de entender cómo funciona esta maquinaria.
Pero es en esta sección,
el resto de esta sección,
que me gustaría contarles un poco acerca de estas maquinarias
que son los motores moleculares y discutir
sus actividades en una introducción general.
Existen tres clases de proteínas motoras del citoesqueleto:
estas son kinesina, miosina y dineína.
Estos motores usan energía química obtenida del ATP,
y usan esta energía para moverse unidireccionalmente a lo largo de una trayectoria.
Éstos serán el foco principal de mi charla,
pero debo también enfatizar que existen
muchos otros tipos de motores moleculares en biología.
Además de estos motores de citoesqueleto,
existen motores, por ejemplo,
que se mueven a lo largo del ADN o también del ARN: helicasas, polimerasas.
También existen motores giratorios, motores que se mueven en círculos,
como los motores que dirigen los flagelos de las bacterias.
Y existe también un notable motor giratorio
dentro de las mitocondrias
que da vueltas como una turbina y genera ATP.
Esta es el motor que genera todo el ATP en sus células,
y es llamado el F1/F0 ATPasa.
Entonces, ¿qué son estos motores moleculares?
Bien, pienso que debería empezar
por compararlos a motores con los cuales ustedes están más familiarizados,
por ejemplo, el motor de un automóvil.
Naturalmente estos motores proteicos
son mucho más pequeños, son motores en una verdadera escala nanométrica.
Ahora, usualmente tendemos a usar el término "nano"
para describir cosas que son pequeñas pero quizás no tan pequeñas,
como este iPod nano. Aunque es pequeño, no está realmente en una escala nanométrica.
En cambio, estos motores moleculares de los cuales voy a estar hablando,
como la kinesina, verdaderamentetrabajan a un nivel nanométrico.
Estos motores son de un tamaño de entre 10 a 50 nanómetros.
Como el motor de un auto, ellos también necesitan una fuente de combustible,
y ellos usan un combustible químico,
llamado ATP, para producir su trabajo,
que se compara a los hidrocarbonos que usa el automóvil.
Estos motores se mueven unos pocos milímetros por hora,
lo cual puede parecer patéticamente lento si se compara a un auto
moviéndose en la carretera.
Pero, si haces el cálculo real
de cuán rápidos estos motores se están moviendo
relativo a su propio largo por unidad de tiempo, ellos realmente se están
moviendo muchas veces más rápido que el motor de tu auto en una carretera.
Y ahora, para aquellos que han llenado su tanque de gasolina recientemente,
estoy seguro que apreciarían también
otra virtud de estos motores proteicos,
que ellos son mucho más eficientes
que el lamentable motor a combustión de su automóvil,
el que trabaja a una eficiencia del 10%.
Estos motores moleculares trabajan a una eficiencia del 60%.
Algunos incluson trabajan con una eficiencia del 95% o más.
Entonces, pienso que los ingenieros
que están tratando de diseñar mejores tipos de máquinas
pueden aprender un montón de cómo trabajan estas máquinas biológicas.
¿Por qué debemos estudiar estos motores del citoesqueleto?
Bueno, me gustaría darles algunas razones del por qué.
La primera razón, para mi personalmente, es que creo que es un tema fascinante.
Pienso que una de las cosas que todos apreciamos acerca de los organismos vivos
es que están dotados de la capacidad de moverse.
Incluso desde los tiempos de la antigua Grecia los científicos
han desarrollado teorías acerca de cómo funciona el movimiento biológico.
Y como verán en ésta y la próxima conferencia,
finalmente tenemos las herramientas, estamos en un momento épico
donde tenemos las herramentas para entender esta pregunta biológica tan antigua.
En segundo lugar, estos motores del citoesqueleto
funcionan en muchos aspectos de la biología,
tanto si eres un neurobiológo,
o si eres un biólogo del desarrollo,
alguien interesado en vías de transducción de señales,
o en tráfico de membranas, invariablemente algunos elementos
de tu problema involucrarán algun tipo de motor del citoesqueleto
implicado en producir las actividades
que los diferentes científicos estudian.
Y, finalmente, y espero ilustrar la última parte de esta conferencia,
estudiar estos motores del citoesqueleto también tiene un número
de beneficios prácticos y relevantes para la medicina.
En primer lugar, sabemos que defectos en el transporte,
ya sea por mutaciones en los motores moleculares
o en proteínas asociadas a estos motores moleculares,
pueden llevar a defectos del transporte
que pueden causar enfermedades, por ejempo enfermedades neurodegenerativas
y en otros casos pueden causar defectos del nacimiento.
Además, también hemos empezado a encontrar que drogas que actúan
sobre proteínas motoras, tanto inhibiendo
o incluso aumentando sus funciones,
pueden tener beneficios terapéuticos para enfermedades humanas.
Esto es algo que me gustaría ilustrar
hacia el final de esta charla y también al final
de la tercera parte de estas conferencias.
Permítanme ahora profundizar y decirles un poco más
acerca de los componentes de estas máquinas moleculares.
Para los motores del citoesqueleto, ellos funcionan a lo largo de vías o caminos,
y existen 2 vías principales que son usadas para producir movimiento.
Una de ellas es el microtúbulo que les muestro acá, que es un polímero cilíndrico
construido de subunidades repetidas de alfa y beta tubulina.
Otro tipo de vía es el filamento de actina, el cual les muestro aquí.
Está hecho de una sola proteína
llamada actina que se encuentra organizada como un polímero helicoidal.
Si ustedes quieren saber más acerca del filamento de actina,
los motivo a mirar la conferencia de Julie Theriot
donde ella abarca los filamentos de actina en mucho más detalle.
Ahora, son a lo largo de estas vías especiales
en que los motores moleculares se mueven
y la pista de actina funciona como un sustrato para la miosina.
Esta es una criomicroscopía electrónica del motor miosina que se encuentra decorando la actina.
Y los microtúbulos sirven como las vías para dos clases de motores,
que son quinesinas y dineínas.
Ustedes también pueden observar que estas vías
están segregadas en diferentes regiones de la célula.
Los filamentos de actina están rodeando la superficie de la célula,
mientras que los microtúbulos se encuentran hacia el interior
tal como se muestra en este huso mitótico.
Otra cosa que ustedes necesitan saber
acerca de estas vías es que son polares.
Son estructuras polares.
Cada subunidad de proteína que forma
filamentos de actina y microtúbulos son polares en sí mismos, son asimétricos,
y estas subunidades polimerizan de manera cabeza-cola.
Esto resulta en una polaridad neta del filamento completo.
Además, estos filamentos están organizados con una polaridad uniforme
en la célula; por ejemplo, en los microtúbulos,
el llamado extremo negativo del microtúbulo
está localizado en el polo de este huso mitótico
mientras el extremo positivo se está extendiendo hacia
estos cromosomas que muestran en azul.
Esta polaridad es también cierta cuando las células están en interfase.
Aquí hay un fibroblasto común con
microtúbulos que se extienden a través de toda la célula
pero en una manera organizada.
Los extremos negativos de estos microtúbulos
se encuentran en el centro, en un lugar llamado el centrosoma
y luego estos microtúbulos se extienden hacia fuera,
sus extremos positivos se extienden hacia la periferia de la célula.
Debo decir también que los motores reconocen esta polaridad
y un motor dado solo se moverá en una dirección a lo largo de esta vía.
Entonces la combinación de tener filamentos polarizados
que están organizados en una manera uniforme en la célula,
en conjunto con motores que se mueven en una dirección,
crea un sistema de transporte fantástico para la célula
que permite que ciertas cargas se muevan hacia la periferia de la célula,
y otros tipos de cargo puedan concentrarse en el centro de la célula.
Permítanme ahora introducirlos a las proteínas motoras
y mostrarles un poco más de cómo son estas proteínas.
Este es un motor de quinesina que se está moviendo a lo largo de un microtúbulo
y el núcleo funcional de este motor está mostrado en morado
justo aquí. Este dominio morado de la molécula de quinesina
está utilizando ATP y moviéndose a lo largo de este camino de microtúbulos.
Además de este llamado dominio motor,
el resto de la molécula es conocida como el dominio cola
y como pueden ver aquí, en el caso de la quinesina, parte de este dominio cola
forma una hélice alfa cola-cola
que junta y dimeriza dos polipéptidos de quinesina,
lo cual es muy común para muchas proteínas motoras.
En el extremo del motor quinesina existe otra parte del dominio cola
que acopla el motor a una carga particular en la célula.
Aquí se muestra la quinesina acoplada a la membrana de un organelo
para específicamente transportar esta carga dentro de la célula.
Ahora, aclaro una cosa, cuando me refiero a quinesina, miosina o dineína,
no me estoy refiriendo solo a un motor,
sino realmente a un gran grupo de proteínas motoras relacionadas.
Por ejemplo, quinesina no es un solo motor,
sino que en el genoma humano existen 45 genes diferentes de quinesina.
Y la razón de por qué hay tantos es que estas diferentes quinesinas
están especializadas para diferentes tipos de actividades de transporte.
Esta es la razón de por qué hay tantas de estas quinesinas, porque
ellas realizan una gran variedad de tipos de transporte.
Algunas quinesinas están involucradas en mover
organelos membranosos al interior de la célula,
como les mostré en el video del axón de calamar.
Otras están transportando ARNs mensajeros o proteínas,
mientras que otras transportan bloques de construcción
hacia la punta de de cilios y flagelos.
De esa manera ayudan a estas estructuras a crecer.
Otras quinesinas están involucradas en el transporte de moléculas de señalización, en vías de señalización,
y todo otro grupo de quinesinas
están involucradas en crear el huso mitótico,
como les mostré anteriormente en el video de un embrión de Drosophila,
así como en el movimiento de los cromosomas.
Y estas muchas quinesinas en realidad tienen variadas arquitecturas.
Ellas tienen un dominio motor similar, mostrado aquí en azul,
pero si se fijan acá, los dominios cola
de estas quinesinas se ven muy diferentes entre ellos.
Esto les permite enganchar diferentes cargos,
y también ser reguladas en diferentes formas dentro de la célula.
Ahora, el tema que me gustaría terminar
en esta porción particular de la conferencia
es ¿cómo estos motores proteicos funcionan realmente?
¿Cómo producen movimiento?
Aquí, por ejemplo, está el motor quinesina
transportando esferas de plástico a lo largo de un microtúbulo.
Y nos gustaría saber en detalle ¿cómo funciona esto?
¿Cómo es que una proteína muy pequeña
es capaz de convertir energía química
en este extraordinario movimiento unidireccional?
Para empezar, puedo decirle que estas proteínas motoras son enzimas.
Ellas hidrolizan ATP y usan esa energía química
para producir el trabajo que ustedes vieron en el último video.
Entonces, por ejemplo, M es para proteína motora aquí; se une a una molécula de ATP,
la hidroliza, y luego libera los productos en una forma secuencial.
Y durante este ciclo ATPasa, el motor produce trabajo
y un tipo de paso a lo largo del citoesqueleto.
Para que esto suceda, la proteína en sí misma
tiene que experimentar algun tipo de cambio estructural
durante el ciclo enzimático, que le permite caminar a lo largo de la vía.
Y la meta real de este campo es entender cómo todas estas transiciones
en el ciclo enzimático resultan en cambios de la estructura de la proteína
y finalmente explican el movimiento que vemos en estos videos.
Ahora. Lo que me gustaría es llevarlos a ver 2 animaciones
que fueron hechas por Ron Milligan, Graham Johnson y por mí.
Estas animaciones ciertamente recapitulan décadas de trabajo hecho por
cientos de investigadores que han estudiado este problema.
Este video muestra el motor miosina
y como se piensa que trabaja.
Este es un motor de miosina que puede ser encontrado en sus músculos
y el objetivo de esta miosina es unirse a esta pista de actina
y deslizar el filamento de actina de manera que el sarcómero
pueda contraerse y el músculo pueda contraerse.
Les mostraré esto hacia el final de esta charla.
Veamos ahora cómo esto funciona. Aquí está el dominio motor.
Se une a la pista de actina; libera fosfato.
La actina causa la liberación de fosfato,
y aquello causa una gran rotación de parte de este motor.
Un desplazamiento de 10 nanómetros
que es lo que causa el movimiento.
Luego, entra ATP, lo que separa el motor de los filamentos de actina;
ocurre la hidrólisis y se reposiciona el motor de manera
que puede unir un nuevo filamento y experimentar un nuevo ciclo.
Aquí va otra vez. Liberación de fosfato. El desplazamiento.
Unión de ATP. Separación y reposicionamiento.
Y son millones de estos eventos los que ocurren en sus músculos.
Muchos de estos ciclos de unión, desplazamiento,
y liberación, son los que resultan en la contracción de sus músculos.
La miosina está hecha para trabajar en grandes ensamblajes
con millones de otras moléculas de miosina generando contracción muscular.
Pero otros motores en la célula tienen que hacerlo por sí solos.
Aquí hay un motor de quinesina.
Y puede estar unida aquí en alguna parte al organelo que transporta,
y se piensa que incluso una molécula única de quinesina
o quizás solo unas pocas quinesinas
son las que están transportando organelos,
mARNs, y proteínas dentro de la célula.
Entonces, el motor de quinesina tiene que ser muy bueno, incluso actuando en solitario,
para moverse continuamente a lo largo de una pista sin soltarla.
Muy diferente de la miosina del músculo,
que puede desprenderse la mayor parte de su ciclo,
solo produce un desplazamiento breve, y luego se libera.
Veamos ahora cómo esto funciona. Primero, aquí está el dominio motor.
Ahora se une al microtúbulo.
El microtúbulo expulsa ATP. El ATP entra aquí,
y ahora miren este elemento amarillo: se cierrra
a lo largo del costado de la enzima, y verán aquí luego,
que el cierre causa que la cabeza de atrás
se desplace desde el sitio de unión trasero
y se mueva a un sitio de unión más adelante.
Entonces, es el movimiento de lo que llamamos tallo central,
lo que tira de la cabeza desde el dominio de unión anterior.
Se mueve alrededor azarosamente, y se posiciona sobre un nuevo sitio de unión.
y en esta manera el motor puede trabajar en lo que llamamos
una forma "mano sobre mano" para moverse continuamente a lo largo de una vía.
Y de hecho, puede moverse por cientos de ciclos de ATPasa sin retirarse
debido a esta acción coordinada de las 2 cabezas del motor proteico quinesina.
Estas animaciones recapitulan gran cantidad de datos.
Debería decirles que ustedes deben ser siempre cuidadosos acerca de modelos como éste,
porque, ustedes saben, no hay duda que ellos no son correctos en cada detalle,
y debo decir que los científicos están aún trabajando
en detalle muchos de los mecanismos tanto de quinesina como de la miosina.
Estos modelos están siendo continuamente mejorados.
Pero, en primer lugar ¿cómo obtenemos un modelo como este?
¿Cómo recolectamos datos que nos lleve a un pensamiento
acerca de una proteina a este nivel de detalle?
Eso es lo que me gustaría contarles.
¿Cómo se estudia el mecanismo de un motor molecular?
Bueno, existen varias herramientas que podemos usar.
Estamos dotados de varias poderosas herramientas
en biofísica moderna.
Entonces, una cosa que nos gustaría conocer es cómo luce un motor.
Y nos gustaría saber esto en un detalle increíble, en un detalle de resolución atómica.
Sabemos exáctamente donde están posicionados
todos los aminoácidos y las cadenas laterales en este motor.
Y ese es el trabajo de la cristalografía de rayos X.
Aquí está la estructura, la estructura obtenida por rayos X del cristal
del dominio motor de la quinesina,
y pueden ver el ATP dentro del sitio activo.
Bueno, existen varias herramientas que podemos usar.
Esto fue hecho en nuestro laboratorio
en conjunto con el laboratorio de Robert Fletterick's en la UCSF.
Este el detalle que realmente necesitamos conocer para empezar
a entender la estructura de la proteína
y como cambia durante su ciclo enzimático.
Pero, en caso de la quinesina,
también nos reponde una pregunta muy vieja
en nuestro campo, que era si quinesina y miosina estaban relacionadas entre sí.
Bueno, antes de conocer la estructura de la quinesina,
creo que la respuesta que todos pensaban era no.
Tenía sentido. Ustedes saben que la quinesina es un motor de microtúbulos;
miosina es un motor basado en actina. Si ustedes las miran,
ellas son totalmente diferentes en tamaño. Quinesina es mostrada aquí en rojo,
y el dominio motor de la miosina es mucho más grande, como pueden ver acá.
Y además, si le piden a un computador alinear
las secuencias de estos motores,
el computador vuelve y dice
que no hay ninguna similitud de secuencia entre quinesina y miosina.
Aha! Bueno, ¡Sorpresa! Obtuvimos la estructura del cristal de la quinesina,
y la miramos en detalle en comparación con miosina,
y de hecho, había una similitud estructural notable
en la parte central de estas moleculas que rodean el nucleótido.
Esto muestra cadenas beta de quinesina
y miosina en amarillo y verde,
y pueden ver que hay un solapamiento extraordinario
entre las cedenas beta de estas dos proteínas motoras.
Además, todas las hélices que ustedes ven aquí para quinesina
solapan con hélices similares en el motor miosina.
Esto no es un accidente.
Esto puede indicar que los motores proteicos de quinesina y miosina
evolucionaron, probablemente muy lejanamente en el tiempo,
desde algún tipo de ancestro común.
Y esto hizo una gran diferencia en la sicología del campo.
La gente siempre pensó que si yo estoy estudiando la miosina,
entonces la quinesina era otro tipo de motor al cual
yo no necesitaba realmente prestarle atención, o viceversa.
Pero esta información indicó que los campos de la miosina y la quinesina
estaban realmente estudiando variaciones de un tipo común
de motor que apareció muy temprano en la evolución.
No solo eso, sino que las estructuras de los motores
también revelan la sorprendente similitud con otra completa clase de proteínas,
que son las proteínas G mostradas aquí,
de las cuales las personas ni siquiera piensan en ellas
como proteínas motoras convencionales.
Pero ellas también unen un nucleótido, GTP; lo hidrolizan a GDP,
y necesitan cambiar su forma para poder actuar
como interruptores en cascadas de transducción de señales
y otros tipos de actividades como esta.
Y de hecho, mirando las estructuras aquí en amarillo,
había un elemento central común rodeando
el nucleótido que era similar en estas proteínas.
Entonces, ahora tenemos algunas conjeturas acerca de cómo todas estas maquinarias evolucionaron.
Probablemente, muy lejano en la evolución, hubo una gran invención:
un interruptor de nucleótido. Algo que aprendió a unir nucleótidos,
hidrolizarlos, pero no solo hidrolizarlo, sino a cambiar su forma
cuando pasaba de 3 fosfatos a 2 fosfatos,
como ATP a ADP, o GTP a GDP.
Esto dió lugar a 2 diferentes tipos de maquinarias,
la familia de proteínas G y algunos precursores de motores que pueden aún existir
en biología o pueden haberse perdido,
pero probablemente evolucionaron muy temprano.
Y este motor precursor luego evolucionó en 2 ramas diferentes:
un motor que aprendió a caminar sobre microtúbulos,
y otro motor que aprendió a caminar sobre actina.
Y wuau! Ésta fue una tan gran invención, que la evolución
luego produjo muchas subclases de estos motores;
una rama completa de diferentes quinesinas, como las que les describí;
y una completa rama de miosinas diferentes.
Ahora, además de obtener algunas ideas acerca de la historia de estos motores,
también aprendimos mucho comparando estas estructuras con otras.
No tengo tiempo para hablar de esto en gran detalle,
pero lo que parece ser el aspecto común más antiguo
que es compartido entre miosina y quinesina
e incluso proteínas G, es cómo estas proteínas unen nucleótidos,
lo hidrolizan, y luego cambian su forma cuando la proteína
va desde un estado con ATP a uno con ADP, o de GTP a GDP.
El mecanismo de intercambio de nucleótido parece ser
muy similar en todas estas proteínas, este elemento central, aquí mostrado en azul.
Pero sobre este elemento central cambiante del motor, de la enzima,
la naturaleza ha conectado un montón de elementos mecánicos diferentes.
Este es el elemento mecánico de la miosina,
este gran brazo de palanca que vieron rotar.
Y en la quinesina, está este mucho más pequeño, un péptido pequeño
que lanza la cabeza hacia delante.
Entonces, los elementos mecánicos han aprendido a trabajar
con este tipo común de unidad central.
Y de hecho incluso en las familias de miosinas y quinesinas
existe un número de diferentes variaciones
en los tipos de elementos mecánicos y cómo ellos trabajan.
Ahora, lo que no puedes obtener de la estructura del cristal,
aún la gente está tratando
pero no hemos obtenido una estructura de un motor con su pista.
Toda la información que tenemos de esto
ha sido derivada de criomicroscopía electrónica.
Aquí se muestra una reconstitución de microscopía electrónica
del laboratorio de Ron Milligan, el microtúbulo en gris se ve aquí,
y este microtúbulo está decorado con una gran cantidad de quinesinas,
un tipo especial de motor de quinesina llamado Ncd.
De esto podemos obtener menor resolución, pero muy importante
información de cómo el motor interactúa con su vía.
Es particularmente valorable si lo combinamos con cristalografía de rayos X,
y aquí se muestra esta estructura similar a una red,
que es la información de la crioME
que podemos encajar con la estructura atómica
para este motor proteico de quinesina.
Estos dos en combinación dan una muy buena idea
de exactamente cómo este motor proteico está interactuando con la vía o camino,
y c+omo este camino puede estar influyendo el comportamiento de este motor.
Sin embargo, no podemos obtener todo de la crio ME y la cristalografía de rayos X
porque son técnicas estáticas.
Nosotros solo obtenemos una fotografía del motor.
Pero sabemos que estos motores son muy dinámicos.
Aquí están transportando esferas a lo largo de microtúbulos.
Entonces, necesitamos estudiar la dinámica de cómo ellos producen movimiento,
y tenemos excelentes ensayos para hacerlo.
De hecho, podemos tomar estas cosas fuera de una célula
reconstitutir el movimiento en un tubo de ensayo.
Podemos purificar el motor proteico, purificar la "vía",
añadir algo de carga, como estas esferas de acá. Añadir ATP,
y el sistema arranca, y lo podemos ver aquí.
Esta fue la versión original de un ensayo de movilidad de esferas
que dio lugar a la purificación
de la quinesina por primera vez a mediados de los años 80'.
Este es otro tipo de ensayo. En este ensayo, el motor proteico
es pegado sobre un tubo de vidrio
y luego a microtúbulos. Entonces las proteínas motoras están fijas.
Se añaden microtúbulos, se añade ATP.
Y luego estos motores proteicos agarran los microtúbulos,
y luego ellos están transportando estos
microtúbulos a lo largo de la superficie.
Si ustedes siguen algunos de los microtúbulos aquí,
puden ver que pareciera que se arrastran
a lo largo de la superficie de vidrio.
Estos motores los están transportando,
agarrando los microtúbulos y transportándolos como un tronco.
Este ensayo también es usado hasta el día de hoy.
Ahora, otra herramienta genial que ha aparecido de estos ensayos de movilidad in vitro
fue la habilidad para estudiar movilidad real
a nivel de moléculas individuales,
de motores moleculares individuales.
Y esto muestra el trabajo de Joe Howard, Jim Hudspeth y quien les habla
hace algunos años atrás, donde la densidad de estos motores de quinesina
sobre la superficie de vidrio fue propagada a muy muy baja densidad,
de manera que solo un motor pudiera engancharse del microtúbulo.
Y la posición del motor se muestra aquí,
y cuando el microtúbulo alcanza el final de aquella molécula de quinesina,
se disocia de ella y queda en solución. Entonces el movimiento
del microtúbulo que ustedes ven aquí,
y nosotros podemos mostrar esto con argumentos estadísticos,
es dirigido por una sola molécula de quinesina.
Ahora, posterior a esto,
existen varias otras técnicas avanzadas
que nos permitieron entender cómo trabajan los motores moleculares,
tales como las pinzas ópticas, las cuales les mostraré en la próxima charla.
Aquí hay un trabajo clásico del laboratorio de Steve Block, quien usó pinzas ópticas
para medir pasos individuales por una molécula única.
Aquí se muestra una quinesina transportando una esfera,
y está detenida a la derecha, y luego hace un salto,
Bump! Ese es un paso, otro paso, otro paso.
Y todos estos pasos
son de 8 nanómetros en tamaño, muy pequeños.
Esta dimensión de 8 nanómetros corresponde a la distancia
entre los peldaños a lo largo del microtúbulo.
La distancia entre los monómeros de alfa y beta tubulina.
Ahora existe otro ensayo interesante que uno puede usar también.
Aquí hay un ensayo donde una sola molécula de una sonda fluorescente
es añadida a una proteína motora, una quinesina,
y podemos usar un microscopio muy especializado.
Les mostraré esto en la siguiente charla,
que se puede rastrear estos motores proteicos individuales
marcados con una sola molécula fluorescente
y aquí... estas son quinesinas que ustedes pueden ver
viajando por este camino de microtúbulo.
Otra vez, en tiempo real, debo decir.
Entonces, tenemos ensayos y herramientas geniales
pero, para realmente entender como funcionan estos motores,
pienso que tenemos que tener control de ellos.
Tenemos que ser capaces de manipularlos,
diseñarlos, y hacer nuevos motores.
Y me gusta mucho esta cita de Richard Feynman,
porque pienso que también ilustra qué es lo que estamos tratando
de hacer en el campo de los motores moleculares para entender cómo ellos trabajan.
Y esto es, para realmente para realmente participar en, más allá de la evolución,
para tratar y diseñar nuestros propios motores.
Entonces, podemos tomar información de los motores:
sabemos sus secuencias, sabemos sus estructuras atómicas.
Y de esto podemos decir:
Ah! De esto yo creo que así es como la proteína motora produce movimiento.
y ellos pueden decir, "Bueno, si esa hipótesis es correcta, si eso es cierto,
entonces yo debería ser capaz de diseñar un motor en esta forma
y producir algún otro tipo de resultado único".
Quizás cambiar la dirección en la cual el motor se mueve,
cambiar su velocidad u otros parámetros.
Y nosotros tenemos la habilidad
para producir estos motores en bacterias u otros sistemas.
Y luego re-diseñar estos motores proteicos, hacer ingeniería de proteínas,
y luego purificarlos y testearlos usando todos estos ensayos,
como los ensayos de movilidad in vitro que les mostré.
Pero hay un montón de otros ensayos geniales,
podemos mirar en sus ciclos químicos en gran detalle
a través de mediciones de su cinética enzimática,
o mirar sus cambios conformacionales
con técnicas como fluorescencia con intercambio de energía.
Hay un montón de ensayos que podemos usar.
Y luego podemos ver, bueno, desde nuestra hipótesis,
si los motores se comportaron como lo esperábamos.
Bueno, quizás no del todo. Entonces volvemos atrás,
a re-pensar nuestra hipótesis, diseñar otro tipo de motor
y luego testearlo otra vez. Y es a través de este mecanismo cíclico
que ustedes ven aquí que podemos comenzar
a entender cómo funcionan estas máquinas.
Y además de solo entender la naturaleza fundamental
de cómo trabajan estos motores,
hay un montón de cosas que podemos hacer que
pueden realmente tener grandes beneficios prácticos para la humanidad.
Una cosa que les mostraré ahora mismo,
es que es posible manipular los motores usando pequeñas moléculas
de manera que nos permita realmente modular la actividad del motor
de una manera benéfica para mejorar ciertas enfermedades humanas.
Y les mostraré eso en esta charla y también en la última.
Y también es posible que podamos ser capaces de diseñar motores
de manera que ellos puedan llevar drogas hacia dentro de la célula
o producir nuevos tipos de células, o incluso afuera de las células,
diseñar motores que puedan ser útiles para ciertos tipos de nanotecnología.
Permítanme hablar de esto ahora, y me gustaría contarles una breve historia
que no ha ocurrido en mi laboratorio.
Esto fue hecho por una compañía llamada Cytokinetics.
Debo mencionar que soy uno de los co-fundadores de esta compañía,
un accionista, y actualmente también en el SAB.
Me gustaría ilustrar esta historia porque pienso que es una historia muy buena
acerca de cómo tu puedes manipular un motor
en una forma que es útil para la medicina.
Y lo que les voy a contar ahora es una historia acerca
de las formas en que uno puede usar pequeñas moléculas
para hacer que el motor miosina trabaje mejor en el corazón
para mejorar la contractibilidad y producir un gasto cardíaco
en pacientes que tienen falla cardíaca,
donde el gasto cardíaco ha sido comprometido.
Pero primero déjenme contarles un poco acerca de la ciencia que hay en este video.
Voy a caminar fuera de la pantalla ahora,
pero lo que ustedes verán es el corazón latiendo,
y luego bajaremos al nivel celular
y verán el sarcómero, la unidad contractil básica de miosina,
donde los filamentos de miosina están tirando de los filamentos de actina
para hacer que el sarcómero se contraiga
y esto resulta en la contracción del corazón.
Ustedes también verán estas pequeñas manchas flotando acá,
que son iones de calcio,
y aquellos son las señales que controlan
un complejo regulatorio sobre la actina
hecho de tropomiosina y troponina, que permite
a la miosina acoplarse al filamento de actina.
Y son estos flujos cíclicos de calcio que encienden la miosina.
Miosina comienza a trabajar contrayéndose
y esto causa que el corazón se contraiga.
Ok, bueno, así es como el corazón supuestamente trabaja,
pero hay algunas personas en las cuales el corazón no está trabajando correctamente,
donde el gasto cardíaco está comprometido.
La contractibilidad de esos ventrículos no está funcionando como debería.
Y esto puede resultar en serios problemas de salud y también en la muerte.
Entonces necesitamos pensar en estrategias para mejorar
la contractibilidad en el corazón.
Existen muchas drogas afuera,
muchas drogas que están ya en el mercado
que trabajan a trabés de vías de señalización.
Ellas funcionan mediante el control de la liberación de calcio.
Ahora, esa es una estrategia razonable, pero estas drogas también tienen efectos secundarios
porque trabajar en estas vías de señalización
también puede ser muy complejo.
Cytokinetics, liderado por Fady Malik
quien fue el primer estudiante de doctorado
que yo tuve en UCSF, quien
se convirtió en cardiólogo y luego se cambió
a comenzar este programa cardiaco en Cytokinetics.
El ha liderado un esfuerzo para desarrollar formas en las cuales
uno puede activar la miosina para hacerla trabajar mejor.
Esta es una estrategia muy dramática, muy audaz,
porque la mayoría de las compañías farmacéuticas desarrollan drogas
para inhibir enzimas, y realmente no puedo pensar en ningún otro ejemplo
donde hay una droga que activa una enzima en particular.
Y por lo menos, es un raro tipo de drogas.
Entonces, esto es un poco riesgoso, pero ellos tomaron este proyecto
en primer lugar y para encontrar estas drogas lo que ellos tuvieron que hacer
es reconstituir el sistema de movilidad del corazón en un tubo de ensayo.
Y ellos hicieron esto purificando actina, miosina, troponina,
y tropomiosina, reconstituyéndolo todo,
este sistema completo, en un tubo de ensayo,
y luego ellos midieron la actividad ATPasa de la miosina
y lo que ellos estaban buscando eran pequeñas moléculas,
como esta que les estoy mostrando acá,
que puede activar la ATPasa en la miosina.
En otras palabras, hacen que el ciclo sea más rápido
lo cual puede resultar en una contractibilidad aumentada del corazón
cuando el calcio, la señal natural de calcio está señalizando.
Este no fue un esfuerzo fácil.
Involucró hacer búsquedas bioquímicas, buscando en cientos
y miles de moléculas
para encontrar una que mostró este tipo de actividad. Y después de eso,
hubo mucho trabajo en química que tuvo que hacerse,
para refinar las propiedades de afinidad y la farmacocinética
de estas moléculas
para hacerlas adecuadas para ser usadas en personas.
Eso ocurrió, y antes que eso ocurriera ellos testearon esto.
Oh! Yo debería decir, aquí está... así es cómo ellos creen que funciona.
Aumenta este paso particular del ciclo de la miosina,
aquel paso donde la actina está rozando la miosina en una forma
para forzar la salida del fosfato del sitio activo y causar el movimiento,
y estas drogas facilitan este paso particular del ciclo de la miosina.
El conocimiento de la bioquímica ha sido
esencial para el proceso de descubrimiento de drogas.
Y aquí es como esta droga funciona en un modelo canino:
Este es un ecocardiograma que muestra el ventrículo del corazón
de un perro que se está contrayendo. Y el mismo corazón
después de administrar este particular activador de la miosina.
Y pueden ver que el corazón ahora se está contrayendo
mucho más vigorosamente, resultando
en el incremento del gasto cardíaco
y una mejora del flujo sanguíneo desde el corazón.
Ahora, esto es bastante dramático, y esta droga también ha estado
en ensayos clínicos de Fase I en personas,
y puedo decir que es básicamente...
que ecocardiogramas en personas muestran exáctamente este tipo de efecto.
Y ahora, el asunto es si esto realmente ayudará a las personas cuyo corazón está fallando,
y si resultará en una mejora de la salud
para estos individuos, y en una menor mortalidad.
Esto es lo que está pasando justo ahora.
Estas drogas están en ensayos clínicos de Fase II,
y probablemente sabremos si este programa
resultó en ayudar a estas personas dentro de un par de años.
Espero que este set de charlas, esta primera charla,
ustedes puedan ver que estos motores moleculares son máquinas fascinantes.
Tenemos herramientas geniales para estudiarlos, y estas maquinas también...
el entendimiento de estas máquinas tiene resultados
prácticos para la salud y enfermedades humanas.
Gracias, y en mi seguna charla
les hablaré acerca del trabajo actual en nuestro laboratorio
en el motor dineina, y el último set de...
la última charla será acerca de entender la movilidad
en el contexto del proceso de mitosis. Muchas gracias.