La biología química es una disciplina científica que abarca los campos de la química y la biología. La disciplina implica la aplicación de técnicas químicas, análisis y, a menudo, pequeñas moléculas producidas a través de la química sintética, así como al estudio y manipulación de sistemas biológicos. A diferencia de la bioquímica, que implica el estudio de la química de las biomoléculas y la regulación de las vías bioquímicas dentro de las células y entre ellas, la biología química se ocupa de la química aplicada a la biología (síntesis de biomoléculas, simulación de sistemas biológicos, etc.).
Introducción Algunas formas de biología química intentan responder a las preguntas biológicas sondeando directamente los sistemas vivos a nivel químico. A diferencia de la investigación que utiliza la bioquímica, la genética o la biología molecular, en la que la mutagénesis puede proporcionar una nueva versión del organismo, la célula o la biomolécula de interés, la biología química sondea sistemas in vitro e in vivo con pequeñas moléculas que han sido diseñadas para un propósito específico o identificadas sobre la base de un cribado bioquímico o celular (véase la genética química).
La biología química es una de las diversas ciencias interdisciplinarias que tienden a diferir de los campos más antiguos y reduccionistas y cuyos objetivos son lograr una descripción del holismo científico. La biología química tiene raíces científicas, históricas y filosóficas en la química médica, la química supramolecular, la química bioorgánica, la farmacología, la genética, la bioquímica y la ingeniería metabólica.
Sistemas de interés Técnicas de enriquecimiento para la proteómica Los biólogos químicos trabajan para mejorar la proteómica mediante el desarrollo de estrategias de enriquecimiento, etiquetas de afinidad química y nuevas sondas. Las muestras para la proteómica suelen contener muchas secuencias de péptidos y la secuencia de interés puede estar muy representada o ser de baja abundancia, lo que crea una barrera para su detección. Los métodos de biología química pueden reducir la complejidad de las muestras mediante el enriquecimiento selectivo utilizando la cromatografía de afinidad. Esto implica la detección de un péptido con una característica distintiva, como una etiqueta de biotina o una modificación post-traducción. Se han desarrollado métodos que incluyen el uso de anticuerpos, lectinas para capturar glicoproteínas e iones metálicos inmovilizados para capturar péptidos fosforilados y sustratos de enzimas para capturar enzimas seleccionadas.
Sondas enzimáticas Para investigar la actividad enzimática en contraposición a la proteína total, se han desarrollado reactivos basados en la actividad para etiquetar la forma enzimáticamente activa de las proteínas (véase Proteómica basada en la actividad). Por ejemplo, los inhibidores de la hidrolasa de la serina y la proteasa de la cisteína se han convertido en inhibidores del suicidio. Esta estrategia aumenta la capacidad de analizar selectivamente los componentes de baja abundancia mediante la selección directa. La actividad de las enzimas también puede ser monitoreada a través del sustrato convertido. La identificación de los sustratos de las enzimas es un problema de gran dificultad en la proteómica y es vital para la comprensión de las vías de transducción de señales en las células. Un método que se ha desarrollado utiliza cinasas «sensibles a los análogos» para etiquetar los sustratos utilizando un análogo del ATP no natural, facilitando la visualización y la identificación a través de un mango único.
Glicobiología Si bien el ADN, el ARN y las proteínas están codificados a nivel genético, los glicanos (polímeros de azúcar) no están codificados directamente desde el genoma y hay menos herramientas disponibles para su estudio. Por consiguiente, la glicobiología es una esfera de investigación activa para los biólogos químicos. Por ejemplo, se puede suministrar a las células variantes sintéticas de azúcares naturales para investigar su función. El grupo de investigación de Carolyn Bertozzi ha desarrollado métodos para que las moléculas de la superficie de las células reaccionen de forma específica en cada lugar a través de azúcares sintéticos.
Química combinatoria Los biólogos químicos utilizaron la síntesis automatizada de diversas bibliotecas de moléculas pequeñas para realizar análisis de alto rendimiento de los procesos biológicos. Tales experimentos pueden conducir al descubrimiento de pequeñas moléculas con propiedades antibióticas o quimioterapéuticas. Estos enfoques de química combinatoria son idénticos a los empleados en la disciplina de la farmacología.
Empleando la biología Muchos programas de investigación también se centran en el empleo de biomoléculas naturales para realizar tareas biológicas o para apoyar un nuevo método químico. En este sentido, los investigadores de la biología química han demostrado que el ADN puede servir como plantilla para la química sintética, las proteínas autoensambladas pueden servir como andamiaje estructural para nuevos materiales, y el ARN puede evolucionar in vitro para producir una nueva función catalítica. Además, las pequeñas moléculas sintéticas heterobifuncionales (de dos caras), como los dimerizadores o los PROTAC, unen dos proteínas en el interior de las células, lo que puede inducir sintéticamente nuevas e importantes funciones biológicas, como la degradación de proteínas específicas.
Síntesis de péptidos La síntesis química de las proteínas es una herramienta valiosa en la biología química, ya que permite la introducción de aminoácidos no naturales, así como la incorporación específica de residuos de «modificaciones postraduccionales» como la fosforilación, la glicosilación, la acetilación e incluso la ubicuidad. Estas capacidades son valiosas para los biólogos químicos, ya que los aminoácidos no naturales pueden utilizarse para investigar y alterar la funcionalidad de las proteínas, mientras que las modificaciones postraduccionales son ampliamente conocidas por regular la estructura y la actividad de las proteínas. Aunque se han desarrollado técnicas estrictamente biológicas para lograr estos fines, la síntesis química de los péptidos suele tener una barrera técnica y práctica menor para obtener pequeñas cantidades de la proteína deseada.
Para crear cadenas de polipéptidos del tamaño de una proteína a través de los pequeños fragmentos de péptidos obtenidos por síntesis, los biólogos químicos utilizan el proceso de ligadura química nativa. La ligadura química nativa implica el acoplamiento de un tioéster C-terminal y un residuo de cisteína N-terminal, lo que finalmente resulta en la formación de un enlace de amida «nativo». Otras estrategias que se han utilizado para la ligadura de fragmentos de péptidos mediante la química de transferencia de acilos introducida por primera vez con la ligadura química nativa son la ligadura de proteínas expresadas, las técnicas de sulfurización/desulfurización y el uso de auxiliares de tiol extraíbles. La ligadura de proteínas expresadas permite la instalación biotecnológica de un tioéster C-terminal utilizando inteínas, lo que permite el apéndice de un péptido N-terminal sintético a la porción C-terminal producida recombinantemente. Tanto las técnicas de sulfurización/desulfurización como el uso de auxiliares de tiol extraíbles implican la instalación de una fracción de tiol sintético para llevar a cabo la química de ligadura química nativa estándar, seguida de la eliminación del auxiliar/tiol.
Evolución dirigida Un objetivo primordial de la ingeniería de proteínas es el diseño de nuevos péptidos o proteínas con una estructura y actividad química deseadas. Debido a que nuestro conocimiento de la relación entre la secuencia primaria, la estructura y la función de las proteínas es limitado, el diseño racional de nuevas proteínas con actividades de ingeniería es extremadamente desafiante. En la evolución dirigida, los ciclos repetidos de diversificación genética seguidos de un proceso de selección o cribado, pueden utilizarse para imitar la selección natural en el laboratorio para diseñar nuevas proteínas con una actividad deseada.
Existen varios métodos para crear grandes bibliotecas de variantes de secuencias. Entre los más utilizados se encuentran el sometimiento del ADN a la radiación UV o a mutagénicos químicos, la PCR propensa a errores, los codones degenerados o la recombinación. Una vez que se crea una gran biblioteca de variantes, se utilizan técnicas de selección o cribado para encontrar mutantes con un atributo deseado. Entre las técnicas de selección o cribado más comunes se incluyen el FACS, la visualización del ARNm, la visualización de fagos y la compartimentación in vitro. Una vez que se encuentran variantes útiles, su secuencia de ADN se amplifica y se somete a nuevas rondas de diversificación y selección.
El desarrollo de los métodos de evolución dirigida fue honrado en 2018 con la concesión del Premio Nobel de Química a Frances Arnold por la evolución de las enzimas, y a George Smith y Gregory Winter por la visualización de fagos.
Reacciones bio-ortogonales El éxito en el etiquetado de una molécula de interés requiere una funcionalización específica de esa molécula para que reaccione químicamente con una sonda óptica. Para que un experimento de etiquetado se considere robusto, esa funcionalización debe perturbar mínimamente el sistema. Lamentablemente, estos requisitos suelen ser difíciles de cumplir. Muchas de las reacciones de las que normalmente disponen los químicos orgánicos en el laboratorio no están disponibles en los sistemas vivos. Las reacciones sensibles al agua y al redox no se producirían, los reactivos propensos al ataque nucleófilo no ofrecerían ninguna quimioespecificidad y cualquier reacción con grandes barreras cinéticas no encontraría suficiente energía en el entorno de calor relativamente bajo de una célula viva. Así pues, los químicos han desarrollado recientemente un panel de química bioortogonal que procede químicamente, a pesar del entorno de materiales reactivos de distracción in vivo.
El acoplamiento de una sonda a una molécula de interés debe producirse en un plazo razonablemente corto; por lo tanto, la cinética de la reacción de acoplamiento debe ser muy favorable. La química del clic es muy adecuada para llenar este nicho, ya que las reacciones de clic son rápidas, espontáneas, selectivas y de alto rendimiento. Desafortunadamente, la más famosa «reacción de clic», una cicatrización [3+2] entre una azida y un alquino acíclico, está catalizada por el cobre, lo que plantea un serio problema para su uso in vivo debido a la toxicidad del cobre. Para evitar la necesidad de un catalizador, el laboratorio de Carolyn R. Bertozzi introdujo una cepa inherente en la especie de alquinos utilizando un alquino cíclico. En particular, el ciclocino reacciona con moléculas de azido con un vigor distintivo.
El método más común de instalar la reactividad bioortogonal en una biomolécula objetivo es a través del etiquetado metabólico. Las células se sumergen en un medio en el que el acceso a los nutrientes se limita a los análogos sintéticos modificados de los combustibles estándar, como los azúcares. Como consecuencia, estas biomoléculas alteradas se incorporan a las células de la misma manera que los metabolitos no modificados. A continuación, se incorpora una sonda al sistema para obtener una imagen del destino de las biomoléculas alteradas. Otros métodos de funcionalización incluyen la inserción enzimática de azidas en las proteínas y la síntesis de fosfolípidos conjugados con cicloctilos.
Descubrimiento de biomoléculas a través de la metagenómica