Los neutrones en la lucha contra el VIH

Cuando pensamos en cristalografía, la técnica que con frecuencia viene a nuestra mente es la difracción de los rayos X. No es extraño: en biología se han determinado más de 88 000 estructuras de proteínas, ácidos nucleicos, virus y conjuntos macromoleculares usando rayos X. Pero a medida que la cristalografía de neutrones ha ido mejorando, ésta se ha vuelto cada vez más útil en el diseño de medicamentos. Los investigadores del Institut Laue-Langevin (ILL) ubicado en Grenoble, Francia, recientemente han utilizado las instalaciones para comprender cómo un medicamento antirretrovírico combate el VIH.

Desde los inicios de la cristalografía de rayos X de proteínas, la técnica se ha desarrollado y se ha extendido llamativamente. Los rayos X de alta intensidad que provienen de fuentes de radiación sincrotrónica  permiten la recolección sistemática de datos a partir de pequeños cristales de micrómetros de ancho en cuestión de segundos (ver Cornuejols, 2009).

En cambio, la cristalografía neutrónica de moléculas biológicas grandes no ha sido tan desarrollada, y su aplicación ha sido mucho menos extensa. La razón principal es que el número de partículas por centímetro cuadrado por segundo (o ‘flujo’) emitido por las fuentes neutrónicas más intensas es muchos órdenes de magnitud menor que el flujo de las fuentes de rayos  X.

Eso significa que, hasta hace poco, los cristalógrafos de neutrones necesitaban cristales grandes y meses de exposición para recolectar suficientes datos. Mejoras recientes permiten ahora recolectar datos suficientes con cristales más pequeños en solo unos días. Pero todavía lleva más tiempo que muchos experimentos de rayos X; entonces, ¿por qué usar neutrones? Una de las razones la constituye el átomo más pequeño del universo: el hidrógeno.

La importancia del hidrógeno

La mayoría de los fármacos funcionan al unirse a una enzima específica involucrada en una enfermedad, para que la función de esta enzima se vea inhibida. Por ello, muchos diseños de medicamentos modernos centran su atención en el análisis y la optimización de las interacciones entre el medicamento y su célula diana. La cristalografía de rayos X ha sido el método preferido para descifrar estos detalles estructurales, pero generalmente los rayos X no revelan la posición de los átomos de hidrógeno en una molécula. Estos átomos de hidrógeno a menudo juegan un rol crucial al intervenir en interacciones débiles pero importantes conocidas como enlaces de hidrógeno.

En cambio, los neutrones pueden localizar las posiciones de todos los átomos, incluyendo el de hidrógeno. Por eso constituyen una poderosa herramienta para analizar las interacciones de unión de los fármacos. Esto se demostró recientemente en un estudio de la unión de un fármaco antirretrovírico para el tratamiento del VIH (amprenavir) y su enzima diana, la proteasa del VIH-1. Esta enzima es una parte fundamental del ciclo de vida del VIH – rompe los polipéptidos virales y crea las proteínas necesarias para la maduración y la producción de nuevas partículas virales infecciosas.

Los científicos dispararon neutrones a un pequeño cristal de proteasa del VIH-1 unido a amprenavir (de 0,2 mm³ de tamaño) para recolectar datos a una resolución de solo 0,2 nanómetros. Estos datos permitieron que los investigadores localizaran los átomos de hidrógeno en el complejo fármaco-enzima, y, fundamentalmente, identificaran los átomos que participan  en el enlace de hidrógeno entre el fármaco y la enzima.

Mejor resolución

Basándose en estudios de rayos X anteriores, los científicos habían especulado que varias interacciones por enlace de hidrógeno eran importantes en la unión entre la proteasa del VIH-1 y el amprenavir. Sin embargo, el estudio de neutrones reveló que, de hecho, existen solo dos fuertes enlaces de hidrógeno directos entre el fármaco y la enzima (figura 1). Este hallazgo les muestra a los diseñadores de medicamentos nuevas maneras de fortalecer estos enlaces mediante la modificación de la estructura molecular del fármaco. Se espera que estos cambios aumenten la efectividad del medicamento y reduzcan la dosis necesaria.

Por ejemplo, los diseñadores de medicamentos podrían fortalecer aún más los dos enlaces de hidrógeno agregando al fármaco un átomo reactivo como por ejemplo el flúor. O bien, podrían agregar más enlaces de hidrógeno directos, por ejemplo a través de la incorporación de grupos de átomos más grandes a la estructura que repele moléculas de agua que suelen encontrarse en el sitio de enlace.

La sensibilidad única del análisis de neutrones de los átomos de hidrógeno le brinda a la industria farmacéutica una nueva herramienta poderosa para el diseño de fármacos basada en la estructura. Aunque, dada su mayor resolución, el valor de la cristalografía macromolecular de rayos X permanecerá por muchos años, la utilización de ambas herramientas -rayos X y neutrones- revela con más claridad cómo interactúan las drogas con sus proteínas diana, y sin duda esto mejorará la eficacia de otros fármacos en el futuro.