5 desafíos que podríamos resolver mediante el diseño de nuevas proteínas

Las proteínas son máquinas moleculares extraordinarias: digieren la comida, estimulan las neuronas y el sistema inmune, y mucho más. ¿Y si pudiéramos diseñar nuevas proteínas con funciones nunca antes vistas en la naturaleza? En este vistazo al futuro, David Baker comparte cómo su equipo en el Instituto del Diseño de Proteínas está creando nuevas proteínas desde cero, y nos muestra cómo estas podrían ayudarnos a afrontar cinco desafíos mundiales de la humanidad. (Este ambicioso plan es parte del Proyecto Audaz, una iniciativa TED para inspirar y financiar el cambio global).

Voy a hablarles de las máquinas
más maravillosas del mundo

y de lo que podemos hacer
con ellas hoy en día.

Las proteínas,

algunas visibles dentro de esta célula,

llevan a cabo todas las funciones
importantes en nuestro cuerpo.

Las proteínas digieren la comida,

contraen los músculos,

estimulan las neuronas

y activan el sistema inmune.

Todo lo que ocurre en la biología,

casi todo,

ocurre gracias a las proteínas.

Las proteínas son cadenas formadas
por bloques llamados aminoácidos.

La naturaleza utiliza
un alfabeto de 20 aminoácidos,

seguramente han oído
los nombres de algunos.

En esta foto a escala,
cada puntito es un átomo.

Las fuerzas químicas entre los aminoácidos
hacen que esas conexiones moleculares

formen estructuras
tridimensionales únicas.

Las formas que adquieren,

aunque parezcan azarosas,

de hecho, son muy precisas.

Las proteínas adquieren su forma
característica siempre,

y el proceso de formación
toma solo una fracción de segundo.

La forma de las proteínas

les permite llevar a cabo
sus excepcionales funciones biológicas.

Por ejemplo,

en los pulmones, la hemoglobina
toma una forma perfectamente apta

para unirse a una molécula de oxígeno.

Cuando la hemoglobina llega al músculo,

su forma cambia ligeramente

y el oxígeno es liberado.

La forma de las proteínas,

y, por ende, sus excepcionales funciones,

están determinadas por la secuencia
de aminoácidos en la cadena proteínica.

En esta foto, las letras de arriba
representan un aminoácido.

¿De dónde provienen estas secuencias?

Los genes en los genomas determinan
las secuencias de aminoácidos

de sus proteínas.

Los genes codifican la secuencia de
aminoácidos de cada proteína.

El desplazamiento entre las
secuencias de aminoácidos,

las estructuras y las funciones
de las proteínas,

es conocido como el problema
del plegamiento de proteínas.

Es un problema complicado

porque las proteínas pueden
adoptar muchas formas diferentes.

Por esta complejidad,

solo hemos podido aprovechar
el poder de las proteínas

haciendo pequeños cambios
en las secuencias de aminoácidos

de las proteínas encontradas
en la naturaleza.

Esto es similar al proceso usado
en la Edad de Piedra

para construir herramientas y otros
instrumentos con piedras y palos

encontrados en nuestro entorno.

Sin embargo, no pudimos modificar
aves para aprender a volar.

(Risas)

En cambio, inspirados en las aves,
los científicos,

descubrieron los principios
de la aerodinámica.

Los ingenieros usaron esos principios
para diseñar máquinas voladoras.

De forma similar,

hemos estado trabajando varios años

para descubrir los principios básicos
del plegamiento de proteínas

y codificar esos principios en el programa
de computadora llamado Rosetta.

Hace unos años logramos un avance.

Ya podemos diseñar en la computadora
proteínas completamente nuevas desde cero.

Una vez diseñada la nueva proteína,

codificamos su secuencia de
aminoácidos en un gen sintético.

Necesitamos hacer un gen sintético

dado que la proteína
es completamente nueva,

y no hay ningún organismo
en el planeta que la codifique.

Nuestros avances en el conocimiento
del plegamiento de proteínas

y en el diseño de estas,

gracias a un descenso en el
costo de la síntesis de genes,

junto con el aumento en el poder
computacional con la ley de Moore,

nos permite, ahora, diseñar decenas
de miles de proteínas nuevas,

con nuevas formas y funciones,

en la computadora,

y codificarlas todas en genes sintéticos.

Una vez codificados,

los colocamos con bacterias

para que se programen y puedan
crear nuevas proteínas.

Luego extraemos las proteínas

y determinamos si su diseño
funciona como lo planeado

y si son seguras.

Es emocionante poder
crear proteínas nuevas,

porque, pese a la diversidad
en la naturaleza,

la evolución solo ha muestreado una
pequeña fracción de las proteínas.

Ya les mencioné que la naturaleza usa
un alfabeto de 20 aminoácidos,

y una proteína promedio es una cadena
de alrededor de 100 aminoácidos,

así que el total de posibilidades es de
20 x 20 x 20, 100 veces,

ese número en el orden
de 10 a la potencia 130,

es muchísimo más que
el total de proteínas

que han existido desde
que la vida comenzó.

Este espacio inimaginablemente grande

podemos explorarlo usando diseños
de proteínas por computadora.

Las proteínas que existen en la Tierra

evolucionaron para resolver los problemas
afrontados por la evolución natural.

Por ejemplo, la duplicación del genoma.

Pero ahora enfrentamos nuevos retos

Vivimos más años, las nuevas
enfermedades son importantes.

Estamos calentando y
contaminando el planeta,

ahora enfrentamos una multitud
de retos ecológicos.

Si esperáramos un millón de años,

evolucionarían nuevas proteínas
para resolver esos retos.

Pero no podemos esperar millones de años.

En cambio, con el diseño
computacional de proteínas

podemos diseñar nuevas proteínas
para afrontar esos retos ahora.

Nuestra idea más audaz es sacar a la
biología de la Edad de Piedra

mediante la revolución tecnológica
del diseño de proteínas.

Hemos demostrado que es posible
diseñar nuevas proteínas

con nuevas formas y funciones.

Por ejemplo, las vacunas estimulan
el sistema inmune

para producir una reacción
fuerte ante un patógeno.

Para mejorar las vacunas,

hemos diseñado partículas de proteínas

en las cuales fusionar
proteínas de patógenos,

como esta proteína azul aquí,
del virus respiratorio VSR.

Para producir candidatos a vacuna

que reaccionen rápido
con la proteína viral,

descubrimos que esos candidatos de vacuna

producen una respuesta mucho
más fuerte al virus

que cualquier vacuna anterior
que se haya probado.

Esto es importante porque el VSR es
actualmente una de las principales causas

de mortalidad infantil en todo el mundo.

Además, hemos diseñado nuevas proteínas
que descomponen el gluten en el estómago

en los enfermos celíacos,

así como otras proteínas que estimulan al
sistema inmune para combatir el cáncer.

Estos avances son el principio
de la revolución del diseño de proteínas.

Nos inspiramos en una revolución
tecnológica anterior:

la revolución digital,

la cual ocurrió en gran parte
por los avances en un lugar:

los laboratorios Bell.

Estos laboratorios contaban con un
ambiente colaborativo abierto,

y lograron atraer a los mejores
talentos de todo el mundo.

Y esto produjo una serie de
innovaciones extraordinarias:

el transistor, el láser,
la comunicación satelital,

las bases del internet.

Nuestra meta es construir los
laboratorios Bell del diseño de proteínas.

Buscamos atraer a científicos
talentosos de todo el mundo

para acelerar la revolución
del diseño de proteínas,

y nos enfocaremos en cinco
retos mayores.

El primero, tomaremos proteínas de
cepas de gripe de todo el mundo

y las pondremos en las partículas
de proteínas que diseñamos

que les mostré hace un momento,

nuestro objetivo es crear una
vacuna universal contra la gripe.

una inyección que proporcione protección
de por vida contra la gripe.

La habilidad para diseñar...

(Aplausos)

La habilidad para diseñar
nuevas vacunas por computadora

es importante tanto para protegernos
de las epidemias naturales de gripe

como de actos deliberados
de bioterrorismo.

El segundo, estamos rebasando
el limitado alfabeto de la naturaleza

de solo 20 aminoácidos, para diseñar
nuevos candidatos terapéuticos,

y tratar condiciones
como el dolor crónico,

usando un alfabeto
de miles de aminoácidos.

El tercero, estamos construyendo
vehículos avanzados de entrega

para llevar las medicaciones
a donde el cuerpo las requiere.

Por ejemplo, la quimioterapia
para un tumor

o terapia de genes para los tejidos
que necesitan ser reparados.

El cuarto, estamos diseñando terapéuticos
inteligentes que hagan estimaciones

y rebasen medicinas actuales,

los cuales son instrumentos imprecisos.

Por ejemplo, para dirigirse a un
subconjunto de células inmunes

responsables de un desorden autoinmune,

y distinguirlas de la vasta mayoría
de células inmunes saludables.

Por último, inspirados en materiales
biológicos sin igual,

como seda, concha
de abulón, dientes y otros,

estamos diseñando nuevos
materiales de proteínas

para afrontar los desafíos
en energías y ecología.

Para lograr todo esto,
nuestro instituto está creciendo.

Deseamos atraer diversos científicos
talentosos y llenos de energía

de todo el mundo, en cualquier
etapa de su carrera,

para que se nos unan.

También pueden participar en la
revolución del diseño de proteínas

a través de nuestro juego en línea
de plegamiento y diseño "Foldit".

Y a través de nuestro proyecto difundido
de computadora "Rosetta@home",

al cual pueden acceder desde su laptop
y celular inteligente Android.

Mi trabajo es hacer del mundo un lugar
mejor a través del diseño de proteínas.

Estoy tan entusiasmado de lo
que podemos lograr juntos.

Espero que se nos unan,

y gracias.

(Aplausos y ovaciones)