La nueva fuente de luz sincrotrón de Brasil apunta a inhibir al SARS-CoV-2 en su primer experimento

En su estreno, la línea de cristalografía de proteínas del Proyecto Sirius analizó más de 200 cristales de dos proteínas del nuevo coronavirus expuestos a pequeñas moléculas que forman parte de fármacos conocidos. Al identificar esas estructuras, se espera que sea posible detectar sustancias que se encastren perfectamente en las proteínas, bloqueando su acción en el virus

Por Maria Fernanda Ziegler*  |  Agência FAPESP – Mediante un potente haz de luz sincrotrón, fue posible determinar en tres días la estructura de más de 200 cristales de dos proteínas del nuevo coronavirus (SARS-CoV-2).

Esta investigación se llevó a cabo en Brasil y estuvo a cargo de científicos del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP). Y es de gran importancia no solamente por su temática –es esencial para el desarrollo de un posible fármaco contra el COVID-19–, sino también por su carácter inédito.

Con este experimento, realizado por Aline Nakamura y André Godoy, se inauguró la primera estación de investigación de Sirius , el acelerador de partículas de cuarta generación proyectado para erigirse como la más compleja infraestructura científica de Brasil, cuya construcción está culminando en el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), con sede en la localidad paulista de Campinas.

“Tuvimos la oportunidad de ser los primeros en poner a prueba la línea Manacá, de cristalografía de proteínas, lo que le imprimió una agilidad enorme a nuestro estudio. Con la pandemia, las fuentes de luz sincrotrón existentes en el mundo se detuvieron, y se mantuvieron únicamente los experimentos relacionados con el COVID-19. Y en Sirius no fue distinto. Más allá de este que aún se encuentra en fase de puesta en servicio, también se abrió la posibilidad de utilizarlo por primera vez con un estudio relacionado con el nuevo coronavirus”, dice Glaucius Oliva, coordinador del Centro de Investigación e Innovación en Biodiversidad y Fármacos (CIBFar), quien encabeza la investigación sobre el descubrimiento de fármacos antivirales contra el COVID-19. El término manacá, acrónimo para “MAcromolecular Micro and NAno CrystAllography”, es en su origen una palabra del idioma tupí que significa “flor”.

El CIBFar es un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) que cuenta con el apoyo de la FAPESP y con sede en el IFSC-USP. Aparte de la colaboración del CNPEM, el proyecto apoyado por la FAPESP en busca de nuevos fármacos contra el COVID-19 reúne también a otros investigadores de la USP –ligados a los institutos de Ciencias Biomédicas (ICB-USP) y de Química de São Carlos (IQSC-USP), y a la Facultad de Ciencias Farmacéuticas de Ribeirão Preto (FCFRP-USP)–, aparte de científicos de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) y de la Universidad Campinas (Unicamp).

“Aquello que tardábamos horas en hacerlo en el antiguo acelerador de electrones del CNPEM, ahora lo hacemos en minutos”, celebra Godoy, investigador con diez años de experiencia en análisis realizados en otras fuentes de luz sincrotrón distribuidas por el mundo.

El experimento de estreno se extendió durante tres días, pero se espera que, en el futuro, el análisis en Sirius se vuelva aún más eficiente. “Como aún se encuentra en etapa de puesta en servicio, no trabaja con toda su potencia. Ya posee rayos X que salen de la ventana y llegan a los cristales congelados en temperaturas criogénicas, y también un detector para medir la difracción de la luz sincrotrón por los cristales para obtener la estructura de las proteínas que los constituyen”, explica Oliva.

No obstante, de acuerdo con el investigador, faltan aún los brazos robóticos necesarios para posicionar los cristales, por ejemplo. “Por eso mismo, para correr los cristales analizados era necesario hacerlo manualmente. Durante el período de puesta en marcha del anillo sincrotrón, también es inviable aplicar la potencia máxima. De todos modos, fue sumamente eficiente y los test fueron muy valiosos”, dice Oliva, quien también fue el primer investigador que probó UVX, la fuente de luz sincrotrón de segunda generación proyectada y construida por brasileños en la década de 1990 y que ahora ha sido reemplazada por Sirius.

El acelerador de electrones de cuarta generación genera un tipo de luz con capacidad para revelar la estructura atómica (la organización de los átomos) de materiales orgánicos e inorgánicos. Oliva explica que el equipo cuenta con tecnologías avanzadas de construcción de imanes y sistemas modernos para la obtención de vacío de alta calidad, como así también sistemas de control de los haces de electrones que permiten que las partículas subatómicas alcancen velocidades cercanas a la de la luz y emitan así luz sincrotrón al alterarse sus trayectorias.

Un rompecabezas

Para entender la necesidad de determinar la estructura de los pequeños cristales de proteínas a los efectos de descubrir un fármaco contra el nuevo coronavirus, puede imaginarse el montaje de un rompecabezas, donde el escenario que está montándose son las proteínas (los blancos situados dentro del virus), y las piezas que deben ser encastrarse específicamente en cada posición son los compuestos químicos. Si la sustancia química se encaja perfectamente en la proteína blanco, es posible bloquear la acción de esa proteína y entonces impedir la entrada o la replicación del virus dentro de las células humanas.

De este modo, mediante la aplicación de luz sincrotrón, los científicos apuntaron a detectar la posición de los miles de átomos que constituyen dos proteínas del coronavirus y su consiguiente estructura. Entre las dos proteínas estudiadas, una es la proteasa llamada “principal” (M-pro, proteína estructural número 5, nsp5), encargada de “cortar” la larga cadena proteica sintetizada dentro de la célula invadida a partir de la información contenida en el genoma viral, lo que las vuelve activas y funcionales para la replicación del virus dentro de las células humanas. La otra proteína estudiada es una enzima (nsp15) que “corta” el ARN del virus, y cuya función dentro de la célula humana aún es objeto de estudios.

“Las proteínas tienen una superficie sofisticada debido a la forma en que se organizan sus átomos, y que tiene en sus recovecos los sitios donde se ejecuta su función catalítica, ya sea en el virus o en la célula infectada. Nuestra misión en este estudio consiste en, además hallar la estructura de esas dos proteínas, también encontrar moléculas, compuestos o sustancias candidatas a fármacos que se encastren perfectamente en esos sitios y así puedan bloquear la acción del virus”, dice.

El equipo de investigadores implementó una estrategia denominada Fragment Screening, mucho más asertiva que la búsqueda de un fármaco al azar o el testeo de sustancia por sustancia en cultivos celulares. En esta, se ponen centenas de moléculas muy pequeñas, que son fragmentos de fármacos ya conocidos y de uso común, en contacto con los cristales de las proteínas blanco. El objetivo consiste en verificar dónde y si pueden unirse. “Con base en estos experimentos, pueden sintetizarse moléculas mayores y más complejas para conectar los fragmentos previamente identificados, entonces sí, los verdaderos candidatos a fármacos antivirales”, dice Oliva.

Después de la etapa de cristalografía de las proteínas y de la selección de sustancias, en caso de que se identifiquen potenciales candidatos, los investigadores deberán testear los fármacos en cultivos celulares, en modelos animales y en humanos, siguiendo todas las etapas necesarias para el desarrollo de un fármaco hasta que pueda finalmente aplicárselo en pacientes infectados con el SARS-CoV-2.

Además de la línea Macaná de cristalografía de proteínas, el proyecto de Sirius contempla otras 13 líneas de luz. Tras la etapa inicial de puesta en marcha, se espera contar con hasta 38 estaciones de investigación, optimizadas para distintos experimentos que podrán realizarse simultáneamente para abarcar investigaciones en las más diversas áreas, tales como salud, energía, nuevos materiales y medio ambiente, entre otras.

“Hay mucho trabajo por delante, pero cada avance del Sirius refuerza que tenemos capacidad como para catapultar la ciencia y la tecnología de Brasil a un nuevo nivel. La comunidad científica brasileña lleva adelante un excelente trabajo y nosotros trabajamos para apoyarla, ofreciendo las condiciones para la realización de investigaciones inéditas. Estamos montando una máquina para que sea competitiva internacionalmente, proyectada por brasileños y construida en colaboración con la industria nacional”, afirma Antonio José Roque da Silva, director general del CNPEM y del Proyecto Sirius.

*Con información del CNPEM.