Bases moleculares de la memoria, la neurodegeneración y la biocatálisis

Página propia del laboratorio: https://carrionvazquezlab.cajal.csic.es/

El interés general de nuestro laboratorio es comprender el funcionamiento interno de las proteínas, una de las grandes asignaturas pendientes de la biología. Concretamente estamos estudiando las bases moleculares de la memoria, la neurodegeneración y la biocatálisis. Para ello nos hemos centrado en los amiloides, tanto patológicos (particularmente proteínas neurotóxicas, implicadas en enfermedades neurodegenerativas) como funcionales (CPEB neuronal, un prionoide implicado en la consolidación de la memoria a través de marcaje de sinapsis activas), y las proteínas de andamiaje (que coordinan cascadas enzimáticas). Nuestras líneas de investigación actuales tienen una doble vertiente, tanto básica como aplicada, y son las siguientes:

1) Bases moleculares de la neurodegeneración: nanomecánica del proteasoma y sus proteínas sustrato neurotóxicas (huntingtina, β-amiloide, tau, α-sinucleína, TDP-43 y priones).

1.1 Testado de nuestra hipótesis de trabajo que postula la posibilidad de que las proteínas neurotóxicas posean confórmeros con una estabilidad mecánica superior a la potencia de tracción de la “desplegasa” del proteasoma (una AAA+ ATPasa), lo que dificultaría (o incluso imposibilitaría) su procesado por esta estructura.

1.2 Identificación del confórmero monomérico iniciador de la amiloidogénesis (missing link) mediante análisis comparativo de mutantes y cambiando las condiciones del medio.

1.3 Estudio directo de la dinámica de la formación de oligómeros y su mecanoestabilidad en tiempo real y con resolución nanoscópica.

1.4 QBP1 (un péptido inhibidor anti-amiloidogénico) como agente profiláctico/terapéutico en diversas enfermedades neurodegenerativas: estudios in vitro e in vivo (utilizando el ratón transgénico QBP1).

2) Bases moleculares de la consolidación de la memoria: papel del prionoide funcional CPEB3 de mamífero.

2.1 Estudio de la estructura de alta resolución del CPEB3 humano mediante RMN en solución y el efecto de las modificaciones post-traduccionales que regulan su función.

2.2 Estudio in vitro e in vivo de la estabilidad temporal de los de los oligómeros tóxicos de CPEB3 humano y de ratón: Análisis de su toxicidad y regulación in vivo así como de sus rutas de necrosis y apoptosis.

2.3 Estudios in vivo e in vitro del posible secuestro del CPEB3 humano por proteínas neurotóxicas mediante la formación de hetero-oligómeros: un mecanismo de generación de disfunción cognitiva previa a la muerte celular mediante secuestro del CPEB3.

2.4 Profilaxis/terapia del Trastorno de Estrés Postraumático mediante el uso de QBP1: estudios in vitro e in vivo utilizando el ratón transgénico QBP1. Análisis de la memoria para comprobar si se bloquea su consolidación.

3) Bases moleculares de la biocatálisis: nanomecánica de las proteínas de andamiaje que ensamblan cascadas multienzimáticas (escafoldinas), sus mecanismos y aplicaciones.

3.1 La mecano-estabilidad como nuevo parámetro industrial: uso de miniescafoldinas de diseño reforzadas para la mejora enzimática.

3.2 Estudio de linkers potencialmente amiloidogénicos/prionogénicos: elucidación del mecanismo molecular implicado y posibles aplicaciones.

3.3 Mejora enzimática mediante el uso de enzimas “resucitadas” (ancestrales) acopladas a proteínas de andamiaje. Estudios estructurales y de actividad para optimizar la biocatálisis.

Metodología mas relevante:

Nuestro enfoque multidisciplinar incluye por una parte técnicas “clásicas” como la ingeniería genética, la ingeniería de proteínas, biología estructural, las simulaciones por ordenador (dinámica molecular), bioquímica tradicional, enzimología, cultivos celulares y modelos animales (transgénicos en Drosophila y ratón). Por otra parte la metodología más distintiva que empleamos se encuadra dentro del nuevo campo que podríamos denominar “bioquímica monomolecular”, dado que su objetivo es el estudio de la función de las biomoléculas, y en particular las proteínas, estudiándolas molécula a molécula. Este enfoque nos permite analizar, con resolución nanoscópica, la dinámica de las moléculas de proteína en tiempo real y en condiciones fisiológicas. Concretamente, la técnica que utilizamos es la microscopía de fuerza atómica (AFM), en sus dos modalidades: espectroscopía de fuerza monomolecular e imagen. Esta técnica permite la nanomanipulación, el análisis de la nanomecánica, y la “visualización mecánica” de moléculas individuales de proteína. Nuestro objetivo a largo plazo con esta metodología es el estudio de la nanomecánica de proteínas en el interior de células y organismos vivos; para ello planeamos desarrollar sensores moleculares de fuerza que permitan la medición de fuerzas mecánicas in vivo para las proteínas en las que estamos interesados.