Proteínas cíclicas: cuando los extremos se tocan.

Breve historia de un tipo de proteínas peculiar, así como su interés en agricultura y en la fabricación de nuevos medicamentos.

Las proteínas son secuencias de aminoácidos que juegan un papel esencial en el desarrollo de los organismos vivos. Sus funciones son muy diversas: desde las enzimas que catalizan las reacciones químicas, pasando por las hormonas, aquellas que tienen funciones estructurales como el colágeno, o las que constituyen los músculos de nuestro cuerpo. Su estructura puede describirse a varios niveles, pero en su forma más básica (denominada estructura primaria) no es más que una cadena lineal de aminoácidos, existiendo únicamente veinte aminoácidos diferentes. El ADN contenido en los cromosomas de cada célula incluye la información necesaria para fabricar todas las proteínas necesarias.

Los aminoácidos son moléculas orgánicas formadas por un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH) y un radical (R) que varía en cada uno de los 20 aminoácidos.

Como ya he comentado las proteínas tienen una estructura lineal. De hecho, se sintetizan en el citoplasma de las células (en los ribosomas) a partir del ARN mensajero siguiendo un orden preciso: empezando por el extremo con un grupo amino libre (N-terminal) y finalizando la secuencia con el aminoácido con el grupo carboxilo libre (C-terminal). Los aminoácidos se unen enlazando el grupo carboxilo de uno de ellos con el grupo amino del siguiente (enlace peptídico).

Las proteínas son una secuencia de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos.

¿He dicho estructura lineal? De hecho no siempre es así. Hace un par de décadas se sabe que existe un pequeño grupo de proteínas que tienen una estructura cíclica, en la que los extremos N-terminal y C-terminal de la secuencia de aminoácidos se han unido con un enlace peptídico para formar una estructura cerrada. Es más, esta categoría de proteínas ha resultado ser especialmente interesante para la agricultura y el desarrollo de medicamentos.

Descubrimiento de la primera proteína cíclica

Durante la crisis del Congo Belga de 1960, que condujo a la independencia de este país y a la creación de la actual República Democrática del Congo, el médico noruego Lorents Gran decidió unirse a la Cruz Roja Internacional para ayudar a restablecer los servicios médicos del país. Allí estuvo ayudando a las mujeres a dar a luz en el paritorio y observó que estas tomaban una especie de té de color verdoso, que según ellas ayudaba a acortar el tiempo del parto.

Imagen de una planta de Oldenlandia affinis, de la que se extrae la proteína kalata B1 . Imagen tomada de www.cyclotide.com.

Cuando volvió a la República Democrática del Congo diez años después para dar clases de anestesiología se hizo con una muestra de la planta (Oldenlandia affinis) con cuyas hojas se preparaba el té, localmente conocida como kalata. Tras una serie de experimentos en ratones y conejos, pudo determinar que esta planta contenía una sustancia que incrementaba la intensidad y duración de los espasmos uterinos. Posteriormente descubrió que estas propiedades se debían a una proteína de tan solo 29 aminoácidos que denominó kalata B1. Aunque no pudo determinar la secuencia concreta de aminoácidos, sí que observó que este péptido parecía no tener ni principio ni final, como si fuera “una serpiente comiéndose a sí misma”.

Estructura cíclica de kalata B1

Conocer la estructura tridimensional de esta proteína tuvo que esperar unos 20 años más. El químico orgánico David Craik, de la Universidad de Queensland (Australia), utilizando un espectroscopio RMN pudo certificar la hipótesis de Gran de que la proteína kalata B1 era cíclica. Además, observó que su estabilidad química era aún mayor debido a la presencia de nudos formados por tres enlaces covalentes azufre-azufre entre aminoácidos cisteína. A estas proteínas cíclicas de pequeño tamaño con nudos de cisteína Craik las denominó ciclótidos (cyclotides, de cyclic peptides).

Estructura de la proteína kalata B1 con una representación tridimensional (izquierda) y como secuencia de aminoácidos (derecha). En rojo los enlaces disulfuro que forman los denominados nudos de cisteína. Imagen tomada de Wikipedia Commons.

Banda de Möbius. Si se empieza a pintar desde un punto cualquiera recorriéndola sin soltar el pincel, toda la forma quedaría pintada del mismo color. Imagen tomada de Wikipedia Commons.

Otra curiosidad de esta estructura es que, debido a una torsión de 180º en el loop 5 (ver figura anterior), geométricamente se asemeja a una banda de Möbius. Esta forma geométrica tiene, entre otras, la propiedad de ser una superficie con una sola cara.

Ampliando el catálogo

Desde el descubrimiento de la primera proteína cíclica, kalata B1, el catálogo de estos péptidos ha ido aumentando sin parar, siendo las aportaciones más importante las provenientes del reino vegetal. La inmensa mayoría de los ciclótidos vegetales se han encontrado en especies tropicales como las rubiáceas, violáceas, cucurbitáceas y, más recientemente, las fabáceas. Aunque estas proteínas tienen propiedades antimicrobianas y antifúngicas, se cree que en las plantas tienen un papel como defensa frente a los insectos depredadores. Por ejemplo, se observó que al alimentar con hojas de kalata B1 a orugas de la especie Helicoverpa se inhibía su crecimiento.

Resultados de una dieta con kalata B1 (larvas pequeñas) frente a una dieta normal (larvas grandes) en orugas Helicoverpa. Imagen tomada de Wikipedia Commons.

Pese al gran número de ciclótidos presentes en el reino vegetal, la proteína cíclica de mayor tamaño descubierta hasta la fecha se encuentra en un microorganismo: la bacteria Enterococcus faecalis S-48. Esta proteína se compone de 70 aminoácidos y actúa como mecanismo de defensa frente a otras bacterias. Su acción se basa en la formación de canales en la membrana de las bacterias enemigas, y su espectro antibacteriano cubre una extensa variedad de especies. Además, es fácilmente digerible por las enzimas digestivas, por lo que puede ser utilizada como bactericida en alimentos, y tiene otras propiedades que la hacen única.

Aunque en menor cantidad, también se han descubierto proteínas cíclicas en mamíferos. La primera proteína de este tipo, rhesus θ-defensin-1, se descubrió en el macaco rhesus y se expresa en sus leucocitos, formando parte de su sistema inmune y con propiedades antifúngicas y anti-VIH. El genoma humano posee un gen que codifica una proteína similar (denominada retrociclina), pero que desgraciadamente está silenciado por una mutación genética que tuvo lugar en la evolución entre 7 y 10 millones de años atrás. Estas proteínas reciben el nombre genérico de defensinas.

Estructura de las defensinas. (A) Representación esquemática de la proteína rhesus θ-defensin-1, donde se indican cada uno de sus aminoácidos y los enlaces disulfuro. Los aminoácidos que pueden variar en distintos individuos se indican en gris. (B) Idem para la retrociclina humana. (C) Representación 3D de la retrociclina humana.

Usos en medicina y agricultura

En general, las proteínas no se consideran buenos fármacos debido a su degradación en el sistema digestivo por la acción de enzimas, pero los ciclótidos y otras proteínas cíclicas podrían superar este problema debido a su alta estabilidad. Estos compuestos podrían utilizarse como fármacos por sus propiedades intrínsecas, o bien como guías en las que podrían estabilizarse proteínas de interés farmacológico.

En cuanto a los usos directos de ciclótidos como medicamentos, se han estudiado ampliamente las propiedades anti-VIH de la proteína kalata B1. Esta proteína no solo protege a las células de la entrada de virus, sino que ataca a estos destruyendo su envoltorio vírico. Esta selectividad en el ataque a membranas específicas también explica las propiedades anticancerígenas de otros ciclótidos, demostradas en el caso de diferentes tipos de cáncer como mielomas, cáncer de pulmón, linfomas y adenocarcinomas. No obstante, a día de hoy ninguno de estos compuestos naturales ha llegado a la fase de ensayo clínico por su elevada toxicidad en los ensayos con animales.

Un caso curioso es el de la proteína humana similar a la rhesus θ-defensin-1 de los macacos rhesus, y de la que he hablado anteriormente. Aunque esta proteína no se expresa por una antigua mutación, se han desarrollado técnicas para que nuestras células puedan sintetizarla de nuevo para que nos proteja del VIH. Aunque ese es un tema que merecería, por sí solo, un artículo completo.

Más prometedores son los resultados con las proteínas cíclicas sintéticas en las que se inserta un péptido de interés farmacológico. Esta síntesis se puede llevar a cabo de dos formas: bien sustituyendo algunas de las subsecuencias de una proteína cíclica natural por un péptido de interés, bien a partir de la ciclación directa de una proteína activa para hacerla más estable sin que pierda sus propiedades farmacológicas. Aunque se han conseguido avances en este campo, aún queda pendiente la fabricación de fármacos con un bajo coste.

Ya he comentado que la función original de los ciclótidos en las plantas es la protección de depredadores. Debido a ello, uno de los campos de aplicación en agricultura sería la producción de plantas transgénicas con genes que fabriquen ciclótidos para conferir resistencia a las cosechas frente a ciertas plagas. Además, en el caso de que avanzara la investigación en usos médicos de estas proteínas cíclicas, estas plantas modificadas genéticamente se podrían utilizar como fábricas de ciclótidos con propiedades farmacológicas.

Resumen de las aplicaciones de los ciclótidos. Imagen adaptada de Cell. Mol. Life Sci. (2010) 67:9–16.

Parece más que probable que estas proteínas tengan un papel importante en el futuro. Tanto es así que David Craik, el descubridor de la estructura de kalata B1 en 1999, creó una empresa para explotar esta tecnología (Cyclagen). Hace tan solo unos meses, esta empresa se integró en un gran consorcio de empresas biotecnológicas, StarMembrane.

Referencias

• Cyclotide as a basis for drug design. David J. Craik, Joakim E. Swedberg, Joshua S. Mylne, Masa Cemazar. Expert Opin. Drug Discov .7:179–194 (2012).
• Reading tea leaves. Jef Akst. The Scientist, February 1, (2012).
• Cyclotides: macrocyclic peptides with applications in drug design
  and agriculture. David J. Craik, Joshua S. Mylne, Norelle L. Daly. Cell. Mol. Life Sci. 67:9–16 (2010).
• Tying up loose ends. Stu Borman. Chemical and engineering news 82(16): 40-42 (2004).
• Circular proteins-no end in sight. Trabi, M., and D. J. Craik. Trends Biochem. Sci. 27:132-138 (2002).
• The cyclotide webpage.