La Biología Estructural es una rama de la biología molecular, de la bioquímica y de la biofísica, que estudia la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas y la relación con su función. Concretamente se interesa por los mecanismos moleculares de la vida, cuya comprensión puede tener importantes implicaciones en el ámbito biomédico y biotecnológico. Esta disciplina se plantea cuestiones fundamentales para entender el fenómeno de la vida; en palabras Max Perutz, Premio Nobel de Química en 1962, «por qué la sangre es roja y el césped verde, por qué el diamante es duro y la cera blanda, por qué el grafito escribe sobre el papel y por qué la seda es fuerte»; cuestiones, todas ellas, que se pueden responder a partir del conocimiento de la estructura de las moléculas constitutivas.

«Estos resultados han sido de tal trascendencia que fueron merecedores, cada uno de ellos, de sendos premios Nobel, de Fisiología y Medicina en un caso y de Química en otro»

El nacimiento de la Biología Estructural se puede situar en la segunda mitad del siglo XX; se trata por tanto de una disciplina relativamente nueva y quizás por ello desconocida para muchos, a pesar de que supuso desde el primer momento la apertura de nuevas avenidas al conocimiento de las bases físicas que sostienen la vida. Prueba de ello son los numerosos hallazgos que se han valido de esta disciplina para arrojar luz en el estudio estructural y funcional de las interacciones que gobiernan la maquinaria celular y numerosos procesos que se desarrollan a nivel molecular. Entre estos están la determinación de la estructura de la doble hélice de ácido desoxirribonucleico (ADN) y los estudios sobre la estructura y función de los ribosomas (los orgánulos responsables de la síntesis de proteínas).  Estos resultados han sido de tal trascendencia que fueron merecedores, cada uno de ellos, de sendos premios Nobel, de Fisiología y Medicina en un caso y de Química en otro. Pero dichos estudios son tan solo dos de una serie de 31 asociados al uso y desarrollo de esta disciplina. 

La determinación de la estructura tridimensional, y en general dinámica de las macromoléculas de la vida se lleva a cabo a través de, principalmente, tres técnicas: la cristalografía por difracción de rayos X, que se realiza sobre cristales de proteínas que presentan alto orden, periodicidad y simetría; la Resonancia Magnética Nuclear -RMN- que se basa en la información procedente de los núcleos de los átomos de la molécula en estudio tras someterla a campos magnéticos y, por último, la microscopía electrónica, capaz de generar imágenes o fotografías de detalle atómico. Más recientemente ha tenido un gran impacto mediático la determinación de la estructura de proteínas mediante la aplicación de técnicas de Inteligencia Artificial; logro alcanzado por la compañía DeepMind, propiedad de Google, con su programa AlphaFold. La difracción de rayos X ha sido el procedimiento más utilizado para la determinación de estructuras, pero la aparición de este nuevo actor, AlphaFold, podría cambiar el paradigma actual. 

El nacimiento de la cristalografía se sitúa en los albores del siglo pasado, al amparo de la física y de las matemáticas, lo que evidencia una vez más cómo los conocimientos y avances de la mineralogía y la química resultan inmensamente productivos si no esenciales para la biología y la medicina. En su momento esto supuso una suerte de revolución científica, posiblemente por la capacidad integradora de la información generada por los estudios estructurales, que desde entonces han permitido comprender mucho sobre procesos biológicos esenciales y lo que quizás es más relevante, permitir la posibilidad de modularlos y re-programarlos. El entendimiento a nivel molecular nos permite conocer las disfunciones asociadas a determinadas patologías y tratar de aportar soluciones a los retos que estas suponen. Este hecho es de importancia capital ya que el conocimiento de la estructura de una macromolécula de interés es crítico para la cabal comprensión de los procesos implicados en muchas enfermedades y en ocasiones puede facilitar su explotación biomédica. Un ejemplo clásico es el de la insulina cuya producción era muy complicada y costosa hasta que la determinación de su estructura cristalina mediante el trabajo cristalográfico de Dorothy Hodgkin logró facilitar su síntesis mejorando el tratamiento y la calidad de millones de pacientes.

«En aquel entonces contaba con solo 7 estructuras de proteínas depositadas y pocos apoyos»

La información obtenida mediante estudios estructurales está sistematizada en el Protein Data Bank (Banco de Datos de Proteínas), o PDB. Se trata de un banco de información estructural de uso libre, fundado en octubre de 1971 como empresa conjunta entre el Cambridge Crystallograhic Data Center, en Reino Unido y el Laboratorio Nacional Brookhaven de los Estados Unidos de América. En aquel entonces contaba con solo 7 estructuras de proteínas depositadas y pocos apoyos. En la actualidad, esa cifra asciende a más de 200.000 entradas, y pese a no contener únicamente proteínas, estas son las macromoléculas biológicas más representadas y las primeras en ser incluidas, de ahí su nombre. Hoy en día aloja todas las estructuras tridimensionales determinadas por la comunidad científica mundial, tanto si son proteínas como ácidos nucleicos; con independencia de la técnica empleada para su determinación. Al margen de su naturaleza, la inclusión de toda estructura en el PDB exige que se compartan sus coordenadas y esto se ha convertido en un requisito necesario para publicar los resultados experimentales en revistas científicas especializadas. 

El gran crecimiento del PDB refleja la revolución que ha tenido lugar no solo en el conocimiento sino en la accesibilidad de este conocimiento al servicio de la ciencia. Además, su utilidad queda bien ilustrada por el hecho de que a los pocos meses de que la Organización Mundial de la Salud declarara la alarma por el COVID19, ya se habían depositado cientos de nuevas estructuras de diferentes proteínas víricas, lo que sirvió de base para la búsqueda de posibles dianas terapéuticas y nuevos tratamientos contra la COVID19. Más de 50 años después de la creación del PDB este ha demostrado la importancia de la colaboración internacional en la ciencia y, en particular, de las aportaciones de la biología estructural.

AUTORA Cristina Yuntas Yanes

ILUSTRACIÓN CARLA GARRIDO