Desarrollo de herramientas bioinformáticas para el estudio y predicción de la promiscuidad y multiplicidad de sustrato en enzimas

Abstract

A pesar de su robustez a las mutaciones, las enzimas exhiben una notable adaptabilidad evolutiva. Nuevas enzimas han surgido a lo largo de toda la historia del planeta. Un concepto a menudo olvidado de los procesos evolutivos es que ocurren mientras mantienen la aptitud de los organismos al entorno y, en consecuencia, es una suposición razonable que los genes existentes se modificaron para generar nuevas estructuras y funciones proteicas, que pueden coexistir con las primeras. En el contexto de las enzimas, el término promiscuidad se aplica a las proteínas que poseen la capacidad de catalizar reacciones químicamente disímiles y se plantea que la promiscuidad podría funcionar como un reservorio en el metabolismo de los organismos, donde las múltiples capacidades químicas podrían permitir una mayor diversificación del metaboloma. En los últimos años se ha incrementado notablemente el uso de enzimas promiscuas para distintos usos biotecnológicos-industriales. Sin embargo, la predicción de la promiscuidad enzimática y la elección de una enzima para un determinado propósito biotecnológico resultan ser aún los principales obstáculos a vencer para su uso generalizado. El objetivo general de esta tesis es comprender el origen y las bases estructurales que sustentan el comportamiento promiscuo. Dada la estrecha relación entre la diversidad conformacional proteica y su función, planteamos como hipótesis central de este proyecto que las distintas proteínas que catalizan una determinada reacción comparten estructuras funcionales, como superficies, cavidades, túneles, entornos del sitio activo, como residuos catalíticos y de anclaje del sustrato y de direccionamiento de sustratos y productos, para sustentar una determinada actividad catalítica. Por lo tanto, se propone en el presente trabajo de tesis conocer y determinar aquellas características o determinantes catalíticos que hacen a una proteína promiscua. Para tal fin hemos desarrollado una base de datos de proteínas que muestran promiscuidad catalítica. Nuestra base de datos ProtMiscuity ofrece una colección de datos derivados experimentalmente, que permiten vincular información sobre las condiciones de reacción que promueven una dada actividad promiscua, y datos estructurales, secuenciales y funcionales de cada proteína promiscua, resultando de gran relevancia para la exploración de las propiedades promiscuas con miras a nuevas aplicaciones biotecnológicas e industriales. Gracias a nuestra recopilación de datos sobre proteínas promiscuas, pudimos además caracterizar la promiscuidad proteica tanto de forma general como particular, en el estudio de las propiedades promiscuas de la familia proteica de las albúminas séricas y de la promiscuidad en medios no acuosos. Encontramos que la promiscuidad como fenómeno no puede ser descartado a priori en ningún caso y que sólo la indagación estructural y químico-mecanística podrán a futuro predecir dicho comportamiento. Nuestros resultados ofrecen, por lo tanto, nuevas herramientas y perspectivas que esperamos redunden en una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a la función proteica y al fenómeno de la promiscuidad proteica, así como también a la generación de herramientas bioinformáticas más precisas.