Tecnología que revolucionó la manera en que se determinan y se identifican sustancias: Espectrometría de masa y Resonancia magnética nuclear (2002)

Los científicos John Fenn, Koichi Tanaka y Kurt Wüthrich fueron galardonados con el premio Nobel en 2002 por contribuir a la aplicación de dos métodos de análisis químico aplicados a macromoléculas biológicas: la espectrometría de masa y la resonancia magnética nuclear (RMN). Esto ha significado un gran paso y permitió que la química biológica sea una de las “ciencias más importantes” de los últimos tiempos. Los químicos pueden ahora identificar las proteínas de una muestra rápidamente y de modo confiable. También pueden producir imágenes tridimensionales de proteínas que se encuentran en solución. Al poder “ver” las proteínas, se puede entender mucho acerca de cómo pueden funcionar dentro de las células.

La espectrometría de masa permite actualmente identificar una sustancia en una muestra, rápidamente, basándose en su masa. La técnica es tan sensible que permite identificar muy pequeñas cantidades de cada tipo de molécula. Sin embargo, esta técnica había sido utilizada por los químicos en moléculas de un tamaño pequeño a mediano.

Las macromoléculas pueden ser grandes en comparación con otras moléculas biológicas más pequeñas (como por ejemplo, una molécula de vitamina C). Sin embargo, también estamos hablando de partículas extremadamente pequeñas. Las moléculas de hemoglobina, por ejemplo, poseen una masa de aproximadamente 10^-19 gramos. Es prácticamente imposible, aun con las herramientas tecnológicas actuales, pesar una masa tan pequeña. El truco ideado por los químicos radica en producir proteínas cargadas (iones) que se separen unas de las otras formando una nube o aerosol. Un método común para medir la masa de estos iones y por lo tanto, poder identificar las proteínas, es acelerarlos en una cámara de vacío donde se mide su “tiempo de vuelo” para alcanzar un determinado “blanco”. Las proteínas alcanzan su blanco debido a su carga y a su masa. Las más rápidas son aquellas que tienen la masa más pequeña y la carga más alta.

Las aplicaciones de esta técnica incluyen el desarrollo de nuevas formas farmacéuticas, el estudio de enfermedades como la malaria, diagnóstico de algunos tipos de cáncer como el de ovario o próstata y el control de sustancias patógenas en los alimentos.

La aplicabilidad de la resonancia magnética nuclear estaba muy limitada inicialmente porque requería soluciones muy concentradas. Luego se pudo establecer que se podía incrementar la sensibilidad si la muestra se exponía a pulsos de radiofrecuencia cortos e intensos. También se desarrolló una manera de interpretar las señales que brindaba el aparato de modo de determinar qué núcleos de una molécula estaban cercanos a otros y, por lo tanto, era posible tener una idea del aspecto de la molécula. Este método funciona bien para moléculas relativamente pequeñas. El problema surge para moléculas grandes, ya que las señales producidas por estas son imposibles de descifrar. El ganador del premio Nobel Kurt Wüthrich diseñó un método para aplicar esta técnica a macromoléculas, ya que acopló cada señal obtenida con el átomo de hidrógeno que le correspondía a esa señal en la macromolécula. Este método se llama asignación secuencial y es un avance fundamental en el estudio de macromoléculas. También mostró cómo era posible determinar las distancias entre pares de un gran número núcleos de hidrógeno y usar esa información con un método basado en las distancias y la geometría para calcular la estructura tridimensional de la molécula.

En muchos aspectos, este método complementa a la cristalografía por rayos X para la determinación de la estructura de macromoléculas. Un ejemplo de las estructuras de proteínas basadas en esta técnica proviene de los estudios de las proteínas priones involucradas en el desarrollo de varias enfermedades muy peligrosas como el llamado “mal de la vaca loca”. La RMN también es utilizada en la industria farmacéutica para determinar la estructura y, por lo tanto, las propiedades de proteínas y otras macromoléculas que pueden ser el blanco de nuevas formas farmacéuticas. Uno de los usos más importantes de esta metodología es la búsqueda de pequeñas moléculas con potencial uso farmacéutico que pueden interactuar con una determinada macromolécula biológica. Si la pequeña molécula se une a la macromolécula, las señales que emite la molécula grande cambian, y eso permite estudiar de qué manera interaccionan ambas.