Resumen de Modulación de las propiedades mecánicas y dinámicas del entramado proteico que forma la cápsida del virus de la inmunodeficiencia humana
En esta tesis doctoral se ha investigado la posibilidad de modular diferentes propiedades mecánicas del material proteico que forma una cápsida vírica. Se utilizaron tanto una aproximación extrínseca mediante unión de ligandos como una aproximación intrínseca mediante ingeniería de proteínas, con diferentes fines aplicados. Las propiedades mecánicas modificadas incluyeron la elasticidad, la resistencia a sufrir daños locales por acción de fuerzas puntuales, la resistencia a la fatiga de material y la auto-curación (self-healing) en respuesta a daños producidos mecánicamente. Como modelo de trabajo se eligió el entramado bidimensional hexagonal de proteína CA que forma la cápsida madura del virus de la inmunodeficiencia humana (HIV-1). Para la determinación de las propiedades mecánicas se utilizó fundamentalmente la microscopía de fuerzas atómicas (AFM).
En la primera parte de este trabajo se ha investigado si diferentes compuestos orgánicos que se unen a la cápsida madura del HIV-1 ejercen sus efectos conocidos sobre el ensamblaje o la estabilidad de la cápsida, y por tanto su acción antiviral o proviral, a través de la modulación de diferentes propiedades mecánicas y/o dinámicas del entramado proteico de la cápsida. Se utilizaron los compuestos antivirales CAP-1, CAI-55 y PF74, y el compuesto proviral IP6, que se unen a diferentes sitios en la proteína CA. Se determinó el efecto de cada uno, a pH y fuerza iónica fisiológicos, sobre la elasticidad, dinámica en equilibrio, resistencia a la rotura por fuerzas puntuales, y resistencia a la fatiga mecánica del entramado proteico de la cápsida del HIV-1. Los resultados indican que los efectos de estos compuestos sobre el ensamblaje y la estabilidad bioquímica de la cápsida viral están asociados, desde una perspectiva fundamental basada en la física, a su interferencia con el comportamiento mecánico del entramado proteico de la cápsida. Los compuestos antivirales CAP-1 y CAI-55 aumentaron la elasticidad intrínseca y la dinámica en equilibrio de la lámina de CA, sugiriendo un aumento en la entropía y, por tanto, una reducción de la probabilidad de que la proteína CA se ensamble en una conformación funcionalmente competente. En cambio, el compuesto antiviral PF74 y el factor proviral IP6 aumentaron la resistencia de la lámina de CA a la rotura por fuerzas puntuales y a la fatiga, y parecen aumentar entálpicamente la estabilidad del material que forma la cápsida. Los resultados obtenidos con PF74 e IP6 aportan, además, información necesaria para evaluar las actuales propuestas sobre la acción antiviral del primero frente a la acción proviral del segundo. Independientemente de otros efectos, IP6 podría promover la infectividad del virus mediante un aumento en la resistencia de la cápsida madura frente a la acción disruptiva de fuerzas mecánicas durante la transcripción reversa, y tal vez a la fatiga de material dentro de la célula infectada. Estos resultados apoyan la posibilidad de diseñar o desarrollar fármacos antivirales novedosos que modulen la biomecánica natural de las partículas víricas.
En la segunda parte de este trabajo se ha tratado de aportar una prueba de concepto de que es posible aumentar genéticamente la resistencia intrínseca de un material proteico bidimensional a la rotura por estrés mecánico puntual o fatiga y mejorar su capacidad de auto-curación de daños. Actualmente se están desarrollando materiales proteicos nanoestructurados para muchas aplicaciones biomédicas o nanotecnológicas. No obstante, a pesar de sus muchas características deseables, los materiales proteicos son muy susceptibles de sufrir daños y rotura por estrés mecánico y fatiga. Hemos utilizado la ingeniería de proteínas para convertir la lámina de CA, originalmente formada por un entramado regular de subunidades proteicas unidas no covalentemente, en una "cota de malla" supramolecular. Para ello se introdujeron, siguiendo una aproximación racional, sustituciones de aminoácidos ubicados en las interfaces de CA por cisteínas, estableciendo en condiciones no reductoras una red regular de puentes disulfuro en la lámina de CA. Esta red de puentes disulfuro une cada molécula en el ensamblado con cada una de sus vecinas mediante un enlace covalente, de modo análogo al remachado de los anillos de hierro entrelazados de una cota de malla medieval. La lámina proteica así modificada genéticamente mostró, con respecto a la lámina de CA original, una termoestabilidad mucho más elevada, más resistencia a sufrir daños por estrés mecánico puntual, una resistencia mucho mayor a la fatiga de material y una mejor capacidad de auto-curación. Todas estas características fueron mejoradas sin disminuir la elasticidad natural de la lámina, una propiedad valiosa para muchas posibles aplicaciones. Estos resultados son relevantes para entender las bases moleculares de la fatiga y la auto-curación de los materiales proteicos. Además, abren las puertas a la posibilidad de fabricar materiales proteicos genéticamente modificados que presenten una mayor robustez mecánica, para su posible uso en diversas aplicaciones biomédicas o nanotecnológicas.
En conjunto, el conocimiento obtenido en estos dos estudios puede ser de utilidad para el desarrollo de nuevos fármacos antivirales y para la construcción de materiales proteicos nanoestructurados con propiedades mecánicas mejoradas.
