Pensándolo bien...

La dimerización combinatoria es un proceso en el cual dos moléculas diferentes se combinan para formar un dímero. Este proceso puede ser espontáneo o puede ser iniciado por un catalizador. La dimerización combinatoria es un concepto importante en química orgánica y bioquímica, ya que puede llevar a la formación de nuevos compuestos que no existían previamente.

En la Química Orgánica, la dimerización combinatoria se utiliza para crear moléculas más grandes y complejas a partir de moléculas más pequeñas. Por ejemplo, dos moléculas de etileno pueden dimerizarse para formar buteno, y dos moléculas de ácido acético pueden dimerizarse para formar anhídrido acético. En Bioquímica, la dimerización combinatoria es común en la formación de proteínas y otros compuestos biológicos. Por ejemplo, las proteínas homodiméricas están compuestas por dos unidades idénticas, mientras que las proteínas heterodiméricas están compuestas por dos unidades diferentes.

En resumen, la dimerización combinatoria es un proceso importante en Química y Bioquímica, que puede conducir a la formación de compuestos más grandes y complejos a partir de moléculas más pequeñas. La dimerización combinatoria también es importante en la síntesis de polímeros, en que se combinan monómeros para formar polímeros. La polimerización se puede iniciar mediante una variedad de catalizadores, como radicales libres, ácidos, bases y enzimas.

Además de la formación de compuestos más grandes, la dimerización combinatoria también se puede utilizar para controlar la selectividad en la síntesis de compuestos. Por ejemplo, para controlar la posición relativa de los grupos funcionales en la molécula resultante. En Biología, la dimerización combinatoria puede ser importante en la regulación de la actividad enzimática y de la expresión génica. Las proteínas pueden formar complejos diméricos para controlar su actividad enzimática o para regular la expresión de genes específicos.

El mecanismo que emplea un represor es el de un reloj operativo en el interior de una célula. Se generan oscilaciones en la concentración de sus proteínas. Los relojes circadianos son un buen ejemplo del mecanismo aludido. Las oscilaciones son un proceso muy generalizado en el entorno científico y biológico, también. Un represor está integrado por tres proteínas que actúan en cadena, controlando cada una de ellas a la siguiente. La primera de ellas, reprime a la segunda que, a su vez reprime a la tercera y finalmente la tercera reprime a la primera, cerrando el circuito. El mecanismo de actuación se plasma en el esquema siguiente: supongamos que tenemos mucha concentración de la proteína 1 (represor), esto conllevará reducir la expresión de la proteína 2 (represor), por lo que se generará menos de esta segunda. Imaginemos, que, en un caso límite, desaparece la segunda, lo que activará al represor 3, cuya concentración aumentará, lo que hará disminuir la del represor 1. Es decir, un cambio en la proteína 1, tras la propagación, realimentará el circuito repercutiendo negativamente en sí mismo, aunque habiendo introducido un retardo. Es una oscilación que se mantendrá, por ejemplo, a medida que la célula crece y se divide.

Hay una evidencia experimental conocida, que se debe a Chalfie que clonó en los años noventa una proteína verde fluorescente, que era un gen de medusa que producía esa proteína. La proteína clonada la expresó en bacterias y evidenció que un solo gen bastaba para crearla. El interés es que a través de la fluorescencia se podía seguir lo que sucede en el interior de la célula.

Elowitz tomó los genes de las tres proteínas represoras y agregó la proteína verde fluorescente, que quedaba controlada por una de las tres proteínas y pudo registrar las oscilaciones de las células. Estrictamente hablando, se trata de un sistema dinámico, cuyo comportamiento depende de las concentraciones y se refleja en las soluciones del sistema de ecuaciones diferenciales que gobiernan el proceso. Se trata de encontrar las soluciones que implican la estabilidad del sistema. Puede darse que, con una pequeña concentración de cada una de las proteínas, el sistema se mantenga y sea autoconsistente y puede ocurrir que el circuito sufra altibajos generando oscilaciones. Encontrando las soluciones del sistema de ecuaciones diferenciales, obtenemos la variación de las concentraciones con el tiempo. Básicamente, tenemos una ley que indica cómo cambia cada una de ellas con las otras. Un análisis de estabilidad lineal desvela que, en este caso, solamente hay una solución estable. Quiere decir que, si el circuito alcanza ese punto, allí se queda. Si es estable, así es, si es inestable lo desvelarán las oscilaciones, ya que separado algo de esa posición, volverá a ella. Esto es lo que ocurre con los sistemas estables o estacionarios.

Ahora bien, en determinadas condiciones se vuelve inestable y describe lo que se denomina ciclo límite donde sigue orbitando indefinidamente, porque es el único comportamiento estable o no estable, pero el único que tiene. Si en la célula ocurren cosas incontrolables que la perturban alcanza ese ciclo límite donde oscila. La degradación es connatural con la oscilación. Los represores tienen esa solución de ciclo límite.  Si los genes se expresan y las proteínas son inestables y se degradan rápidamente dentro de la célula, el circuito más probable es el ciclo limite y la oscilación.

Estas cuestiones son de sumo interés porque uno de los interrogantes científicos básicos es cómo se explica que células con el mismo genoma todas, se diversifican en todos los tipos posibles conocidos. En concreto, cómo pasar de las células madre a células sanguíneas óseas o inmunitarias, por ejemplo. Cómo se ve la diferenciación es uno de los grandes retos a desvelar, que está en el subsuelo de la complejidad. Abstrayendo, células con el mismo genoma existen en diferentes estados estables. En el contexto de la dinámica de sistemas se trata de estados que definen atractores estables. Cuando se da una perturbación en la concentración de uno de los componentes, como se trata de un estado estable, volverá a él. Hay que encontrar respuesta a como los circuitos pueden generar múltiples atractores, donde darán distintos puntos estables.

En el contexto de la evolución, la complejidad aumenta. Otra cosa es que, aunque un ser más complejo puede tener muchos más tipos de células que otro inferior, por ejemplo una persona con respecto a un mosquito, puede darse que usemos los mismos tipos de genes y proteínas para generar los mismos tipos de células. Esto desvela el hecho de que en los circuitos de control celular naturales se da la escalabilidad. El tiempo determina los nuevos destinos conforme el organismo se desarrolla. La intrínseca multicelularidad implica que una célula puede formar parte de muchos estados diferentes lo que implicará muchas propiedades.

El fondo de la multicelularidad pone de relieve aspectos básicos del comportamiento celular. Como caso paradigmático, el sistema de control implicado en los músculos incentivará a ciertos tipos de células madre a convertirse en músculo y a otros en neuronas y así hasta completar la panoplia de tipos de células de cada organismo. Lo sorprendente es que las proteínas que controlan la regulación de los genes, los represores o los activadores, son del mismo tipo, que las controladas. Pero los circuitos tienden a funcionar no de forma aislada como ocurre en las bacterias, sino que en los organismos multicelulares funcionan de forma concertada. Una proteína se dimeriza agregándose a otra copia de sí misma o a una copia de otra proteína. Pero se mantienen juntas en todas las combinaciones distintas. Son pares de proteínas que hacen cosas diferentes. Cabe que se unan entre si y no unidas al ADN, que no hagan nada o que activen la expresión de una de las proteínas del par.

El diseño Multifate de Elowitz hace uso de la dimerización combinatoria y es un circuito que responde al diseño más simple que puede actuar de esta forma. Partiendo de un conjunto de proteias: A,B,C, … que pueden emparejarse consigo mismo, formando un dímero que puede activar la expresión de una de ellas. La cosa es que puedan emparejarse con las otras. Los dímeros de la misma proteína tienen actividad, pero los mixtos no. De esta forma la superproducción de una de ellas solamente absorbe a otra diferente, impidiendo que esta segunda haga algo, al quedar neutralizada. Cuando se simula un sistema dinámico de esta naturaleza se observa cómo se generan múltiples atractores, es decir estados estables. Con dos proteínas, A y B, se generan tres estados AA, BB y AB, uno que solamente produce A, otro que produce B y otro una proporción concreta de A y B juntos. Son estables y si los separamos del punto de estabilidad un poco, volverán a los estados estables. En el modelo de Elowitz todo lo ajeno a las proteínas consideradas se considera que está homeostáticamente allí asistiendo a la maquinaria que requieren los circuitos considerados, lo cual es una aproximación a la que son ajenos los sistemas naturales. Una de las dificultades de la Biología sintética es que la aproximación funciona siempre y cuando no se sobreexpresen demasiado las proteínas estudiadas para no alterar el comportamiento de la célula.

En el ámbito de la Biología sintética, resulta muy útil la aportación de Chalfie que, como hemos dicho, clonó en los años noventa una proteína verde fluorescente. Si tomamos una proteína A y le agregamos una proteína roja y a una B le adjuntamos una verde, se pueden observar las células y ver en qué estado están y como cambian con el tiempo, conforme las células crecen y se dividen. La cuestión es que agregando factores se obtienen más estados, que creen exponencialmente con el número de proteínas. Una tercera proteína en azul nos permite abordar hasta siete estados y si añadimos una cuarta, llegamos a 15, En general 2ⁿ – 1 es el número de combinaciones distintas de n proteínas, que corresponde al número de estados posibles.

Es un campo fascinante el de la ingeniería de sistemas multicelulares. El sistema inmunológico está construido a partir de una gran variedad de células, desde las T hasta las B y las que se comportan como auténticas asesinas. Y todas ellas interactúan entre sí. La complejidad es notoria y las dificultades de diseñar un sistema inmunitario sintético conlleva la diversificación en muchos estados, muchas clases y poder concretar la especialización para concretar diferentes funciones. Un reto fascinante.