Proteína antigua - Ancient protein
Las proteínas antiguas son los antepasados de las proteínas modernas que sobreviven como fósiles moleculares . Ciertas características estructurales de importancia funcional, en particular las relacionadas con el metabolismo y la reproducción, a menudo se conservan a lo largo del tiempo geológico . Las primeras proteínas consistían en aminoácidos simples, y los aminoácidos más complicados se formaban en una etapa posterior a través de la biosíntesis . Dichos aminoácidos de aparición tardía incluían moléculas como: histidina , fenilalanina , cisteína , metionina , triptófano y tirosina . Las proteínas enzimáticas antiguas realizaban funciones metabólicas básicas y requerían la presencia de cofactores específicos . Las características y edades de estas proteínas se pueden rastrear mediante comparaciones de múltiples genomas, la distribución de arquitecturas específicas , secuencias de aminoácidos y las firmas de productos específicos causados por actividades enzimáticas particulares. Las proteínas alfa y beta ( α / β ) se consideran la clase de proteínas más antigua.
La espectrometría de masas es un método analítico que se utiliza para determinar la masa y la composición química de los péptidos . La reconstrucción de la secuencia ancestral se lleva a cabo mediante la recopilación y alineación de secuencias de aminoácidos homólogas . Estas secuencias deben tener una cantidad suficiente de diversidad para contener señales filogenéticas que resuelvan las relaciones evolutivas y permitan una mayor deducción del fenotipo antiguo objetivo . A partir de ahí, se puede construir un árbol filogenético para ilustrar el parecido genético entre varias secuencias de aminoácidos y ancestros comunes. Luego, la secuencia ancestral se infiere y se reconstruye a través de la máxima verosimilitud en los nodos filogenéticos. A partir de ahí, los genes codificantes se sintetizan, expresan, purifican e incorporan al genoma de un organismo hospedador existente . Se observan y caracterizan experimentalmente la funcionalidad y las propiedades del producto. El uso de un mayor grado de variación en proteínas monoméricas representativas aumentará la precisión general de los resultados.
Historia
En 1955, Philip Abelson publicó un breve artículo en el que exponía lo que se ha convertido, a través de varios ciclos de avances técnicos, en el campo de la paleoproteómica o la investigación de proteínas antiguas. Fue el primero en proponer que los aminoácidos, y por lo tanto las proteínas, estaban presentes en un hueso fósil de millones de años, lo que dio pistas sobre la evolución de formas de vida muy tempranas en nuestro planeta. Solo unos años más tarde, Hare y Abelson (1968) llevaron a cabo otro análisis pionero sobre las conchas y descubrieron que los aminoácidos degradan o cambian su configuración interna L a D progresivamente con el tiempo, y que esto podría usarse como herramienta de datación, en lo que se llama datación de aminoácidos o racemización de aminoácidos . Más tarde se demostró que este enfoque de datación era una herramienta muy capaz para los períodos de datación que se remontan más atrás que los límites del radiocarbono en ca. 50.000 años.
Estructura y evolución
Los eventos ecológicos y geológicos que cambiaron las condiciones del medio ambiente global de la Tierra afectaron la evolución de la estructura de las proteínas. El Gran Evento de Oxidación , provocado por el desarrollo de organismos fototróficos como las cianobacterias , resultó en un aumento mundial de oxígeno. Esto presionó a varios grupos de procariotas anaeróbicos , cambiando la diversidad microbiana y el metaboloma global , además de alterar los sustratos y la cinética de las enzimas .
Ciertas áreas de proteínas son más propensas a sufrir cambios evolutivos a un ritmo rápido, mientras que otras son inusualmente tolerantes. Los genes esenciales, o secuencias de material genético responsables de la arquitectura, la estructura, los centros de unión del cofactor de metal catalítico o la interacción de las proteínas, experimentarán pocos cambios en comparación con el resto del material genético. Partes de este material se enfrentarán a mutaciones genéticas que afectan la secuenciación de aminoácidos. Estas mutaciones sentaron las bases para otras mutaciones e interacciones que tuvieron importantes consecuencias para la estructura y función de las proteínas, lo que resultó en proteínas con secuencias similares que sirven para propósitos completamente diferentes.
Joseph Thornton , un biólogo evolutivo , investigó las hormonas esteroides y sus receptores de unión para mapear su relación evolutiva. Insertó moléculas de ADN, equipadas con secuencias de aminoácidos reconstruidas de proteínas antiguas, en células in vitro para hacerlas sintetizar proteínas ancestrales. El equipo descubrió que las proteínas ancestrales reconstruidas eran capaces de reconfigurarse en respuesta a múltiples hormonas. Estudios adicionales realizados por otros equipos de investigación indican el desarrollo evolutivo de una mayor especificidad proteica a lo largo del tiempo. Los organismos ancestrales necesitaban proteínas, principalmente enzimas, capaces de catalizar una amplia gama de reacciones bioquímicas para sobrevivir con un proteostoma limitado . La subfuncionalización y la duplicación de genes en proteínas multifuncionales y promiscuas llevaron al desarrollo de moléculas más simples con la capacidad de realizar tareas más específicas. Sin embargo, no todos los estudios coinciden. Algunos resultados sugieren tendencias evolutivas a través de intermedios o moléculas menos específicas que llevan dos estados de alta especificidad o una especificidad disminuida por completo.
Una segunda tendencia evolutiva aparente es la transición global lejos de la termoestabilidad para los linajes de proteínas mesofílicas . La temperatura a la que se funden varias proteínas antiguas se correlacionó con la temperatura de crecimiento óptima de los organismos extintos o existentes. Las temperaturas más altas del Precámbrico afectaron las temperaturas óptimas de crecimiento. Una mayor termoestabilidad en las estructuras proteicas facilitó su supervivencia en condiciones más críticas. Ambientes heterogéneos , deriva neutra, adaptaciones aleatorias, mutaciones y evolución son algunos de los factores que influyeron en esta transición no lineal y provocaron fluctuaciones en la termoestabilidad. Esto condujo al desarrollo de mecanismos alternativos para sobrevivir a las condiciones ambientales fluctuantes.
Ciertas proteínas ancestrales siguieron rutas evolutivas alternativas para obtener los mismos resultados funcionales. Los organismos que evolucionaron a lo largo de diferentes vías desarrollaron proteínas que realizaban funciones similares. En algunos casos, cambiar un solo aminoácido fue suficiente para proporcionar una función completamente nueva. Otras secuencias ancestrales se estabilizaron en exceso y fueron incapaces de realizar cambios conformacionales en respuesta a los estímulos ambientales cambiantes.
Campos asociados
Paleoproteómica
La paleoproteómica es un neologismo utilizado para describir la aplicación de enfoques basados en espectrometría de masas (MS) al estudio de proteomas antiguos. Al igual que la paleogenómica (el estudio del ADN antiguo , ADNa), se cruza con la biología evolutiva , la arqueología y la antropología , con aplicaciones que van desde la reconstrucción filogenética de especies extintas hasta la investigación de dietas humanas pasadas y enfermedades antiguas.
El campo fue pionero cuando Peggy Ostrom usó MALDI-TOF con decy post-source para secuenciar la osteocalcina en hueso de bisonte de 50.000 años. Con el advenimiento de la ionización suave y el uso de cromatografía líquida acoplada (LC) y sistemas de MS en tándem (es decir, MALDI-TOF-MS y LC-MS / MS), el alto rendimiento de información sobre proteínas antiguas ha crecido significativamente. Una razón de esto es que se ha demostrado que las proteínas son moléculas robustas en muestras arqueológicas y otras del Cuaternario. En situaciones en las que el ADN antiguo se ha degradado desde hace mucho tiempo a fragmentos subutilizados, la secuenciación de proteínas ha ayudado a responder preguntas filogenéticas como la ubicación de Toxodon sp. El análisis de mezclas de proteínas más complejas apenas está emergiendo. El análisis de adhesivos aglutinantes que generalmente se cree que se derivan de la resina de abedul ( Betula L.) ha demostrado que en realidad son pegamentos animales.
Otros campos
La zooarqueología utiliza espectrometría de masas y análisis de proteínas para determinar la relación evolutiva entre diferentes especies animales debido a diferencias en la masa proteica, por ejemplo, el colágeno . Técnicas como la proteómica de escopeta permiten a los investigadores identificar proteomas y las secuencias exactas de aminoácidos dentro de diferentes tipos de proteínas. Estas secuencias se pueden comparar con otros organismos dentro de diferentes clados para determinar sus relaciones evolutivas dentro del árbol filogenético. Las proteínas también se conservan más en fósiles que el ADN, lo que permite a los investigadores recuperar proteínas del esmalte de dientes de animales de 1,8 millones de años y cristales minerales de cáscaras de huevo de 3,8 millones de años.
Aplicaciones y productos
La investigación combinada de secuenciación de genoma y proteína ha permitido a los científicos reconstruir aún más las narrativas de las condiciones ambientales arcaicas y las relaciones evolutivas pasadas. La investigación sobre la termoestabilidad de las estructuras de las proteínas permite predecir las temperaturas globales pasadas. La reconstrucción de la secuencia ancestral revela aún más los orígenes del metabolismo del etanol humano y la evolución de varias especies. Un ejemplo de esto sería la identificación y diferenciación de los homínidos denisovanos del Homo sapien sapiens moderno a través de variantes de aminoácidos en el colágeno obtenido de los dientes del primero.
El estudio de proteínas antiguas no solo ha ayudado a determinar la historia evolutiva de las proteínas virales, sino que ha facilitado el desarrollo de nuevos fármacos.
Beneficios y limitaciones
Comprender la función y la evolución de las proteínas proporciona nuevos métodos de ingeniería y control de las vías evolutivas para producir plantillas y subproductos útiles, más específicamente, proteínas con alta termoestabilidad y amplia especificidad de sustrato.
Deben tenerse en cuenta múltiples limitaciones, así como posibles fuentes de error, y deben establecerse posibles soluciones o alternativas. La construcción estadística de proteínas antiguas no es verificable y no tendrá secuencias de aminoácidos idénticas a las de las proteínas ancestrales. La reconstrucción también puede verse afectada por múltiples factores que incluyen: mutaciones; tasas de recambio , ya que las especies procariotas son más propensas a cambios genéticos que sus contrapartes eucariotas , lo que dificulta la determinación de su pasado proteómico; distribución de aminoácidos; y recursos limitados de genomas completamente secuenciados y secuencias de aminoácidos de especies existentes. La reconstrucción de proteínas ancestrales también asume que ciertos fenotipos homólogos realmente existieron dentro de poblaciones proteicas antiguas cuando, de hecho, los datos recuperados no son más que un consenso estimado de la diversidad total preexistente. Un muestreo taxonómico inadecuado puede conducir a árboles filogenéticos inexactos debido a la atracción de ramas largas . Las proteínas también pueden degradarse con el tiempo en pequeños fragmentos y se les incorporan proteínas modernas, lo que dificulta o hace que la identificación sea imprecisa. Por último, pero no menos importante, los remanentes fosilizados contienen cantidades minúsculas de proteínas que se pueden utilizar para estudios e identificación adicionales y, de hecho, proporcionan menos información sobre los patrones evolutivos en comparación con las secuencias del genoma.
Las preocupaciones adicionales con respecto al método de reconstrucción de secuencias ancestrales (ASR) residirían en el sesgo subyacente en la termoestabilidad debido al uso de máxima probabilidad en la obtención de datos. Esto hace que las proteínas antiguas parezcan más estables de lo que realmente eran. El uso de métodos de reconstrucción alternativos, por ejemplo, el método bayesiano que incorpora y promedia el nivel de incertidumbre, podría proporcionar una referencia comparable con respecto a la estabilidad ancestral. Sin embargo, este método realiza reconstrucciones deficientes y es posible que no refleje con precisión las condiciones reales.