Por Mario Villada-Balbuena y Claudia Camacho-Zuñiga
Antes de los antivirales y vacunas contra el SARS-CoV-2, miles de personas nos salvamos por una praxis simple: lavarnos las manos. Esta actividad logra inocular el virus, alterando el equilibrio de su ácido ribonucleico (ARN).
El virus de SARS-CoV-2 tiene una envoltura, llamada cápside, que resguarda todo su material genético, proteínas y ácido ribonucleico (ARN). Estas macromoléculas interactúan con las células humanas a través de algo parecido a una llave y su cerrojo. Ambas deben tener la configuración adecuada, el acomodo correcto para poder replicarse.
Durante el lavado de manos, el jabón destruye la cápside y deja al ARN en un ambiente que altera su acomodo espacial, impidiéndole entrar en el correspondiente “cerrojo”, con lo que pierde la posibilidad de replicarse.
Este es tan solo un ejemplo de por qué, más allá del reto intelectual y científico, es importante estudiar la estabilidad de las moléculas. Analizar cómo las biomoléculas alcanzan el equilibrio en respuesta a las fuerzas y las interacciones inter e intramoleculares es la labor cotidiana de la biofísica.
Cómo estudiamos el ARN
Las moléculas de ARN consisten en secuencias de nucleótidos, que son las unidades básicas que construyen el material genético y que están formadas por fosfato, ribosa y una base nitrogenada (adenina, citosina, guanina o uracilo).
Las moléculas de ARN pueden tener combinaciones de nucleótidos y longitudes diferentes. Contienen una gran cantidad de átomos —de ahí el nombre de macromoléculas— por lo que el estudio de su movimiento demanda métodos numéricos avanzados y computadoras muy potentes para realizar múltiples cálculos complejos en poco tiempo.
En 2017, en la investigación One-bead coarse-grained model for RNA dynamics propusimos una descripción simplificada del ARN considerando todo un nucleótido como un solo “grano”. Este modelo de “grano grueso” consideraba interacciones entre la adenina y el uracilo, así como enlaces entre la citosina y la guanina (llamados pares de Watson-Crick).
Dicho modelo retrataba el comportamiento global de estos sistemas y predecía la estructura tridimensional de moléculas de hasta 100 nucleótidos, a partir de la secuencia. Sin embargo, es una propuesta limitada a escalas atómicas, es decir, que no predice la posición de cada uno de los átomos.
Nuevos experimentos con pinzas de luz
En 2024, con la investigación Mechanical unfolding or RNA molecules using a knowledge-based model se logró un avance significativo al utilizar pinzas ópticas en el modelo de ARN, para tener un mayor nivel de detalle de las interacciones entre nucleótidos.
A este tipo de experimentos se les denomina pinzas ópticas porque consisten en un láser enfocado a nivel microscópico para atrapar materia tan pequeña como los átomos. Esto ocurre porque la luz permite manipular individualmente ciertas moléculas.
Este nuevo modelo, que utiliza pinzas ópticas en el ARN, requiere menor poder computacional y logra describir cómo se comportan las moléculas estudiadas al ser desplegadas por la luz.
Inicialmente, la molécula resiste el incremento gradual de la fuerza sin cambios apreciables en su separación. Sin embargo, al superar un umbral determinado, se desdobla de forma abrupta. Una vez desdoblada, la longitud de la molécula cambia muy poco.
Entender este comportamiento abre la puerta a muchas aplicaciones médicas, pues al conocer la fuerza y la extensión de la molécula, es posible calcular la energía requerida para modificar su configuración o acomodo tridimensional.
Esto nos permitiría diseñar las llaves para que los cerrojos se abran o no. Es decir, la configuración es determinante para que estas moléculas logren o no su función a nivel molecular, sea benéfica o perjudicial para nuestra salud.
Si el jabón nos ayudó a desarmar al virus, la luz podría ayudarnos a entenderlo y, eventualmente, a diseñar formas más precisas de controlarlo.
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Referencias
- M. Villada-Balbuena y M. D. Carbajal-Tinoco. One-bead coarse-grained model for RNA dynamics. J. Chem. Phys. 146, 045101 (2017).
- M. Villada-Balbuena y M. D. Carbajal-Tinoco. Mechanical unfolding or RNA molecules using a knowledge-based model. J. Chem. Phys. 161, 165104 (2024).
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Autores
Mario Villada-Balbuena. Es profesor del Departamento de Ciencias, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias (EIC) del Tec de Monterrey, Campus Toluca. Es doctor en Ciencias (Física) por el CINVESTAV-IPN y Físico por la UAEMex. Ha colaborado en proyectos de Biofísica Computacional utilizando simulación con supercómputo financiados por CINVESTAV-IPN y SECIHTI. Es miembro de la Red Temática de Materia Condensada Blanda del SECIHTI y de la Biophysical Society (USA). También es autor de divulgación científica en TecScience.
Claudia Camacho-Zuñiga. Es profesora investigadora en el Institute for the Future of Education y profesora de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tec de Monterrey, Campus Santa Fe. Es doctora en Ciencia de Materiales por la UAEMex, maestra en Ingeniería Química e Ingeniera Física por la Ibero. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores Nivel I. También es autora de divulgación científica en TecScience.
