Cómo las proteínas recorren el ADN casi sin fricción.

El ADN puede contener el listado de los componentes para construir una célula, pero hacen falta proteínas para leerlo. En el número del 5 de junio de Physical Review Letters, un equipo francés informa de que han encontrado un mecanismo físico por el cual las proteínas pueden deslizarse fácilmente a lo largo del ADN a la búsqueda de sus dianas. Los investigadores emplearon simulaciones basadas en el método de Monte Carlo y cálculos analíticos para mostrar que un modelo simplificado de una proteína era atraído al ADN hasta que está a medio nanómetro, poco más o menos. En esta posición, la proteína es repelida, de tal manera que puede deslizarse libremente hasta que encuentra la secuencia diana y se une más fuertemente. Los resultados dan un cuadro más completo de este importante proceso biológico.

Las proteínas que interactúan con el ADN, conocidas como proteínas de unión a ADN, son esenciales para las operaciones de la célula. Copian el ADN, activan y desactivan genes y traducen los genes en plantillas para la formación de proteínas. Cada proteína que realiza una de estas funciones tiene afinidad por una secuencia particular del ADN, su región diana.

Para encontrar su diana, una proteína de unión a ADN se piensa que primero se une lábilmente a un punto al azar del ADN y después se desliza a lo largo de la cadena, en vez de enlazarse y desenlazarse al azar hasta que encuentra el lugar correcto por pura suerte.

Para estudiar esta interacción, Vincent Dahirel de la Universidad Pierre y Marie Curie de París (Francia) y sus colegas se centraron en las cargas y formas generales de las proteínas y del ADN pero ignoraron los detalles de las estructuras atómicas completas. En las simulaciones el ADN consistía en un cilindro largo y la proteína era una de cuatro figuras: una esfera, un cilindro, un cubo con muesca o un cilindro con muesca. Las formas con muesca se suponía que eran las que enlazaban con el ADN. Los diámetros de las proteínas eran todos de 5 nanómetros, el diámetro del ADN 2 nanómetros.

Las simulaciones se basaron en el método Monte Carlo, un tipo de algoritmo de cálculo que se basa en calcular resultados del modelo para valores iniciales escogidos al azar o casi al azar. Se emplean cuando hay mucha incertidumbre en los datos de entrada.

El equipo calculó las fuerzas puestas en juego cuando la proteína, cargada positivamente, se acercaba al ADN, cargado negativamente. Para las proteínas cilíndricas o esféricas, la atracción hacia el ADN se mantenía conforme se acercaban. Pero, en contra de lo que se esperaba, la cilíndrica con muesca era repelida cuando llegaba a una distancia de entre 0,1 y 0,75 nanómetros del ADN, dependiendo de la carga que se atribuyese a la proteína. Las simulaciones mostraban que, en tanto en cuanto la proteína estuviese a la distancia correcta, con la atracción y la repulsión en equilibrio (en lenguaje más técnico, la energía libre tenía un mínimo a una separación dada entre superficies), tenía libertad para deslizarse arriba y abajo por la cadena de ADN como un disco en una mesa de hockey de aire.

Para explicar esta fuerza repulsiva, el equipo centró sus cálculos analíticos en los iones disueltos en la solución que contiene las moléculas biológicas. Si la superficie del ADN tiene más carga negativa que la proteína tiene positiva (resultando una carga neta negativa), algunos de los iones de la solución son atraídos hacia su superficie. Conforme la distancia entre la proteína y el ADN disminuye, algunos de estos iones quedan atrapados, creando una región de alta concentración de iones. El agua intenta entrar en estas regiones (una especie de ósmosis), por lo que ejerce una presión alrededor de los bordes de la interfase, creando una presión osmótica en el espacio entre el ADN y la proteína que empuja a ésta hacia fuera.

Quedaba comprobar si las proteínas de unión al ADN efectivamente tienen menos carga en valor absoluto que el ADN. Dahirel et al. analizaron los datos estructurales de 77 proteínas. Encontraron que la proteína de unión al ADN promedio tiene sólo el 17% de la carga superficial que posee el ADN. Para este grado de desequilibrio en la carga, su modelo predice que la proteína debe revolotear aproximadamente a medio nanómetro de la superficie del ADN. Este número cuadra bastante bien con la estructura medida de una proteína de unión al ADN de una bacteria llamada EcoRV.

¿Qué ocurre cuando la proteína llega a su secuencia diana? En ese momento los puentes de hidrógeno que se forman rompen la barrera de la energía libre y tiene lugar el reconocimiento.

La importancia del trabajo está, por lo tanto, en que es capaz de dar una explicación a cómo se puede desplazar una proteína a lo largo del ADN sin demasiada fricción.

Referencia:

Dahirel, V., Paillusson, F., Jardat, M., Barbi, M., & Victor, J. (2009). Nonspecific DNA-Protein Interaction: Why Proteins Can Diffuse along DNA Physical Review Letters, 102 (22) DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.228101