José Antonio Gárate, investigador del Instituto Milenio, Centro Interdisciplinario de Neurociencia de la Universidad de Valparaíso, CINV, lidera estudios.

Un grupo de científicos del Instituto Milenio, Centro Interdisciplinario de Neurociencia de la Universidad de Valparaíso, CINV, liderado por el investigador José Antonio Gárate, está aplicando técnicas computacionales para entender, a nivel atómico, el funcionamiento de sistemas biológicos. Los estudios ayudarán a analizar los potenciales efectos tóxicos de nanopartículas, y potencialmente crear nuevas terapias.

Nano significa una reducida parte de un metro, específicamente, mil millones menos, y en ese contexto, las investigaciones apuntan a conocer la interacción de minúsculas proteínas humanas con determinados fármacos, y con material particulado, denominado nanopartículas. “Esta área de trabajo es relevante y como ejemplo, podemos señalar que existen muchos estudios sobre el grafeno -superficies del grosor de un átomo-  tales como un antibiótico, dado que éste funciona como un nano-bisturí, cortando la envoltura o membrana que cubre a las bacterias. Por lo tanto, el conocimiento de sus efectos sobre células humanas es esencial para el desarrollo de futuras terapias”, explica el investigador del CINV.

Las proteínas son grandes moléculas compuestas por miles de átomos y, por lo tanto, es difícil predecir su comportamiento cuando se ven enfrentadas a fármacos o nanopartículas. “Es por esto que nuestras investigaciones se realizan en el contexto de la dinámica molecular, una técnica de simulación computacional que modela moléculas como esferas conectadas por resortes, permitiendo visualizar el movimiento de las partículas, como si fuera una película, y en cuyo escenario los actores principales son las proteínas”, explica José Antonio Gárate.

La simulación molecular nace como una respuesta a la necesidad de estudiar aquellas partículas que no se pueden observar mediante un microscopio electrónico tradicional o cuyos tiempos de acción son tan pequeños, que se vuelve imposible medirlos en un laboratorio. “Estos procesos, se entienden con mayor claridad a través de herramientas computacionales y ejercicios numéricos, en los cuales queremos profundizar para entender la interacción de proteínas humanas en general con determinados fármacos y nanopartículas hechas de carbono entre los cuales se encuentran nanotubos, fullerenos y grafeno”, explica el ingeniero en Biotecnología Molecular.

El investigador señala que, durante las últimas dos décadas, las técnicas realizadas en computadores se han convertido en una herramienta indispensable para la comprensión de procesos químicos a nivel nanométrico. No obstante, a pesar de los importantes avances en la manipulación de la materia a nivel molecular, sigue siendo difícilmente accesible por medios experimentales tradicionales. Por su parte, la nanotecnología es una estrategia a pequeña escala, mediante la cual es posible manipular la materia a un tamaño tan ínfimo que no puede ser visto por el ojo humano.

“Nosotros estamos realizando física del siglo XIX, pero con súper computadores. Lo que hacemos es simular estas moléculas -con la gracia de que podemos verlas como se comportan en la pantalla del computador- y eso lo tratamos de correlacionar con experimentos. La idea es estudiar algunas de las enzimas del estómago, que son las proteínas encargadas de digerir los alimentos y su interacción con nanopartículas de carbono. Queremos aclarar y comprender potenciales efectos tóxicos de estas interacciones a priori, ya que inevitablemente vamos a estar expuestos a nanopartículas que provengan de productos y procesos industriales todos los días. Por ejemplo, se estima que el mercado de nanotubos de carbono superará los mil millones de dólares para el 2019. En este sentido, el desarrollo responsable de la nanotecnología, es decir la investigación de efectos no esperados y negativos de productos o procesos industriales que utilicen la nanotecnología, requiere de este tipo de estudios”, enfatiza Gárate.

Moléculas y Pac-Man

Para comprender el funcionamiento de la dinámica molecular José Antonio Gárate explica que las moléculas son como el videojuego de principios de los años 80: Pac-Man.

“Las proteínas son como Pac-Man y los fármacos/nanopartículas son las pelotitas que debía atrapar. Estos deben tener el tamaño suficiente para que puedan ingresar sin dificultad por su boca. Hay distintos tipos de moléculas que son como las pelotitas, que serían las distintas drogas o fármacos que luego se van a la industria farmacéutica. Nosotros debemos ver qué pelotitas prefiere Pac-Man y eso se lo informamos a los profesionales del laboratorio para que hagan esas moléculas, las prueben y desarrollen nuevas terapias”.

Mediante simulaciones computacionales los científicos pueden manipular el tamaño y las características de las moléculas, lo cual es significativamente más económico y óptimo que realizar un experimento tradicional en un laboratorio.

Alquimia computacional

El Profesor Asistente de la Universidad de Valparaíso señala que los antiguos alquimistas pensaban que podían transformar un átomo o molécula en otro elemento, como, por ejemplo, convertir plomo en oro.

“Nosotros tomamos estas moléculas y al estar frente a un computador no estamos limitados por la realidad. Podemos transformar partículas rápidamente y a muy bajo costo, evitando los tiempos de síntesis molecular. Así podemos estimar la afinidad entre Pac-Man y distintas bolitas de una forma muy económica. Es por este motivo que somos considerados alquimistas computacionales, porque transformamos las partículas de manera eficiente”.

Propiedades nanotecnológicas

José Antonio Gárate explica que sus investigaciones, financiadas gracias a dos proyectos de CONICYT y el apoyo de la Iniciativa Científica Milenio, están relacionadas con la nanotoxicología: un área emergente en la que se trabaja a muy pequeñas escalas y se analizan los potenciales efectos de las partículas en la salud humana.

“Nano significa una muy pequeña parte de un metro (mil millones menos), una pequeñísima partícula que está en el mismo nivel de los átomos, por lo que sus propiedades son muy distintas e interactúan directamente con células y proteínas. Las técnicas que utiliza nuestro equipo de investigación permiten ampliar en detalle las propiedades de las partículas y realizar predicciones en su comportamiento frente a distintos escenarios”.

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