La descoberta d’una família d’endoglicosidases corinebacterials específiques d’IgG

Enzimologia: El biòleg Diego E. Sastre, investigador a la Emory University School of Medicine, és l’autor primer i corresponsal d’un article a la revista Cell on se’ns presenta una família d’endoglicosidases corinebacterials, els membres de la qual tenen un potent eficàcia contra models animals de patologies mediades per IgG. Es tracta d’endo-β-N-acetilglucosaminidases (ENGases) que hidrolitzen específicament el glicà unit al residu 297 d’asparagina (Asn297) dels anticossos d’immunoglobulina G. Aquesta activitat enzimàtica ér extraordinàriament rara i, alhora, cobejada. El glicà d’As297 és el principal determinant molecular del reconeixement de les IgG per part del receptor FcγR. El receptor FcγR reconeix la part constant de les IgG i és important per a la majoria de les accions fisiològiques i patològiques associades als anticossos. Fins ara hom havia descrit ENGases específiques d’IgG com a proteïnes secretades per soques d’Streptococcus pyogenes: aquests enzims permeten l’estreptococ d’eludir la immunitat basada en anticossos. Val a dir que les IgG-ENGases d’S. pyogenes són proteïnes complexes integrades per diversos dominis. Sastre et al. volien trobar una IgG-ENGasa de domini únic, i per trobar-la bastiren una anàlisi in silico i amb tècniques d’espectrometria de masses. Així trobaren una família d’ENGases secretades per corinebacteris patogènics que, alhora que són de domini únic, també mostren una estricta especificitat per les IgG. Mitjançant cristal·lografia de raigs X i ressonància de plasmó de superfície, Sastre et al. mostren com el membre de la família més eficient des del punt de mira catalític reconeix alhora els components proteic i glicà de la IgG. En una sèrie de models in vivo mostren l’eficàcia d’aquesta ENGasa específica d’IgG en la mitigació de diverses patologies que depenen de funcions efectores mediades per FcγR, com són la depleció de limfòcits T i B, l’anèmia hemolítica autoimmune, l’empitjorament del dengue mediat per anticossos, etc. Sastre et al. creuen en el potencial d’aquesta ENGasa en el tractament i/o prevenció de malalties humanes mediades per IgG.

Sastre et al. han descobert una família d’endoglicosidades corinebacterials específiques de la IgG de domini únic. Aquestes endoglicosidases ataquen tant el component proteic com el component glucànic de la IgG humana. Sastre et al. han comprovat que un membre típic d’aquesta família, CU43, mitiga diversos models animals de patologia mediada per IgG. Actua de manera semblant a efgartigimod, però amb una efectivitat 4000 vegades superior.

Les ENGases

L’autor que fa de contacte en aquest treball és Eric J. Sundberg, professor de bioquímica a Emory. Posen a disposició de qui ho demani els plàsmids generats en aquest estudi. També han publicat a Protein Data Bank les dades d’estructura de proteïna. La recerca s’ha finançat amb aportacions del National Institute of Allergy and Infectious Diseases i del National Cancer Institute. Alguns dels autors recorden que han registrat una sol·licitud de patent sobre material que ara apareix en aquest article.

Les endo-β-N-acetylglucosaminidases o endoglicosidades (ENGases) cauen en la classificació enzimàtica EC 3.2.1.96. Catalitzen la hidròlisi del nucli de quitobiosa de glucans enllaçats amb asparagina en glucoconjugats. Les ENGases de la família GH18 són estructuralment variables, la quals cosa fa que diferents membre de la família disposin de mecanismes catalítics diferents i tinguin especificitat per diferents N-glicans. La immensa majoria reconeixen els substrats glucoproteics per mecanismes específics de glicà. Hi ha un petit grup, però, que hidrolitza específicament l’enllaç β-1,4 dels primers dos residus d’N-acetilglucosamina dels glicans units a la Asn297 de la regió constant (Fc o fracció cristal·litzable) dels anticossos immunoglobulines G (IgG). Aquests darrers són enzims rars, amb una especificitat per la IgG doble en el sentit que abasta tant el component glucànic com el proteic de la IgG. En són exemples els enzims streptococals EndoS i EndoS2. EndoS i EndoS2 són proteïnes multidomini, que compten amb un domini GH18 (amb l’activitat glucosidasa hidrolasa), un domini amb repetició rica en leucina (LRR), un domini híbrid Ig i un domini β-sandwich amb estructura en forma de V. EndoS té un pes molecular de 108 KDa i ataca exclusivament N-glicans de tipus complex. EndoS2 té un pes molecular de 92 kDa i ataca els tres tipus de N-glicans que podem trobar en IgG.

El glicà d’Asn297 és el principal determinant molecular que permet que el receptor FcγR reconegui els IgG. Bona part de les funcions mediades per anticossos depenen d’aquest reconeixement. Les IgG-ENGases fan que les IgG no puguin ser reconegudes per FcγR i que perdin bona part del seu efecte. EndoS i EndoS2 són proteïnes secretades per soques patogèniques d’Streptococcus pyogenes i que participen de l’evasió de la resposta immune adaptativa d’aquest bacteri. Si bé les ENGases són un factor de virulència, també hi ha estudis en models animals que mostren el seu potencial en el tractament de malalties autoimmunes.

Suárez et al. volien trobar una família d’ENGases de domini únic. Triaren com a gènere bacterià on cercar-les Corynebacterium. Corynebacterium és un gènere grampositiu com Streptococcus, però que pertany als actinobacteris i que pot adoptar morfologies diverses. Hom ha descrit 250 espècies de Corynebacterium, de les quals un 20% són patògenes. La més coneguda, C. diphteria és l’agent etiològic de la diftèria. Altres espècies patògenes són C. pseudotuberculosis, C. belfantii, C. rouxii, C. silvativum i C. ulcerans. Les sis espècies citades formen un clade a banda, caracteritzat per la presència dels gens tox, que codifiquen per l’exotoxina diftèrica. Aquests gens tox no tenen un origen bacterià, sinó viral. En efecte, són gens del genoma de corinbacteriòfags que indueixen infeccions lisogèniques en aquest clade complex C. diphteria.

C. pseudotuberculosis secreta una ENGasa de 40 kDa, denominada CP40, i que pot hidrolitzar N-glicans en anticossos IgG. CP40, de fet, ja és aprovada actualment com a vaccí en ovins contra la limfadenitis caseica (CLA).

Sobre aquesta pista, Sastre et al. fan una anàlisi de xarxa de similitud de seqüència i de predicció de plegament de proteïnes. Així han pogut identificar una família d’ENGases secretada per corinebacteris patogènics que tenen una especificitat estricta per a N-glicans d’IgG. Aquesta especificitat l’han demostrada amb tècniques de cromatografia líquida acoblada amb espectrometria de masses amb glucoproteïna intacta. Dels membres de la família el més eficient des del punt de mira catalític és CU43, una ENGasa de C. ulcerans. Sastre et al. han pogut determinar l’estructura de cristalls de CU43 i analitzar així les seves interaccions proteïna-glicà i proteïna-proteïna. Han aconseguit generar una proteïna de fusió amb Fc de CU43 i ha mostrat la seva eficàcia en diversos models animals de patologies mediades per IgG, concentrament en soques de ratolins que expressen un FcγR humanitzat. Com a referent empren el blocador de FcRn efgartigimod, fàrmac aprovat en el tractament de la miastènia gravis generalitzada. Fc-CU43 és 4000 vegades més efectiu que efgartigimod, la qual cosa obre la porta a la seva aplicació en el tractament i prevenció de malalties autoimmunitàries i en la prevenció del rebuig en transplantaments d’òrgans i teixits.

ENGases corinebacterials

L’anàlisi SSN partia del domini GH18 d’EndoS i EndoS2. El GH18 d’aquestes ENGases és un barril TIM (triosa-fosfat isomerasa). La base de dades incloïa tots els enzims amb domini GH18 que es troben anotats a la col·lecció de famílies de proteïnes Pfam. Això suposa més de 80.000 seqüències diferents. Amb un mínim de 60 punts de coincidència, EndoS i EndoS2 queden dins d’un clúster trilobulat de 381 seqüències, integrat per 161 nodes. Els tres lòbuls són 1) IgG-ENGases multidomini (39 nodes, incloent-hi EndoS i EndoS2); 2) ENGases de un o dos dominis sense especificitat aparent per les IgG; 3) CP40 i altres ENGases corinebacterials.

Dins d’aquest tercer lòbul hi ha sis nodes: 1) el de CP40; 2) el de CP258, una ENGasa de la soca 258 de C. pseudotuberculosis; 3) CM49, una ENGasa de C. mustelae; 4) CR39, una ENGasa de C. rouxii; 5) CD38, una ENGasa de C. diphteria; i 6) CU43, una ENGasa de C. ulcerans de 43 kDa.

CP40 és capaç de deglicosilar les IgG humanes, equines i ovines, però no pas les IgG bovines o caprines.

Amb una recerca BLAST sobre NCBI, Sastre et al troben quatre ENGases corinebacterials addicionals, CS43, CB44, CX35 i CD51.

CX35 és una ENGasa evolutivament més relacionada amb EndoS i EndoS2. Les altres ENGases corinebacterials identificades per Sastre et al. es corresponen a una família separada.

Mitjançant models AlphaFold, Sastre et al. detecten un patró característic del centre actiu de les ENGases corinebacterials. La majoria d’ENGases corinebacterials consisteixen en una proteïna d’un sol domini GH18, sovint acompanyat d’un motiu C-termini en forma de breu llaç o hèlix.

Especificitat estricta per N-glicans vinculats a la Asn297 d’IgG humans nadius

L’anàlisi LC-MS amb glucoproteïna intacta permet a Sastre et al. d’estudiar l’especificitat potencial de les ENGases corinebacterials. Per fer-ho les clonaren en vectors recombinants d’expressió i les purificaren. Les glucoproteïnes assajades foren: 1) IgG1 de longitud completa, amb un N-glicà CT; 2) IgG1-Fc amb un N-glicà remodelat en HM; 3) una RNAasaB amb N-glicà HM; 4) una transferrina amb N-glicà CT.

De les 10 ENGases assajades, set (CP40, CM49, CR39, CS43, CB44, CP258, i CU43) eren estrictament específiques d’IgG, preferentment amb N-glicans CT.

CU43 fou assajada amb N-glicans de les diferents classes d’anticossos humans (IgA, IgD, IgE, IgG i IgM) i de la fetuïna. Com a control positiu empraven la PNGasaF. L’anàlisi per SDS-PAGE confirmava que CU43 era estrictament específiques d’IgG.

Una anàlisi d’activitat enzimàtica amb diverses subclasses d’IgG humanes i murines demostrà que les IgG-ENGases corinebacterials són actives especialment amb les IgG1 i IgG2 humanes, però no amb les murines. L’assaig amb regions IgG1 Fc desnaturalitzades mostrava que el reconeixement es basa en la forma nadiua de l’anticòs. L’acció era específica dels glicans vinculats a Asn297.

L’anàlisi d’estabilitat termal a 52°C i 56°C només el superaren CU43 i CM49.

Pel que fa a la cinètica enzimàtica, CU43 era la més eficient.

El reconeixement de substrat de CU43

Sastre et al. aconseguiren cristal·litzar CU43i, una variant inactiva CU43 amb les mutacions D187A i E189A. L’anàlisi estructural mostrava un doble reconeixement de substrat per part del glicà i per la part proteica. L’anàlisi de ressonància de plasmó de superfície aclaria encara més els lloc d’interacció de CU43 amb la IgG.

La proteïna de fusió CU43-Fc prevé la depleció citotòxica de limfòcits T mediada per anticòs en un model de ratolí hFcγR

Els ratolins hFcγR expressen el receptor humà de Fc d’immunoglobulines. L’administració a aquests ratolins de l’anticòs monoclonal YTS191 indueix una depleció dels limfòcits T CD4+. La proteïna de fusió CU43-Fc pot impedir aquesta depleció en dosis de 0,1 μg. En aquest sentit resulta més efectiu que l’ efgartigimod.

La proteïna de fusió CU43-Fc prevé la depleció citotòxica de limfòcits B mediada per anticòs en un model de ratolí hFcγR

L’administració a aquests ratolins de l’anticòs monoclonal 2B8 indueix una depleció de limfòcits B. CU43-Fc és capaç de prevenir aquesta depleció.

La proteïna de fusió CU43-Fc prevé l’anèmia hemolítica autoimmune en un model de ratolí hFcγR

En un model de ratolins que expressen les formes humanes de CD47, SIRPa, i FcγRs es pot induir una anèmia hemolítica amb magrolimab. CU43-Fc pot alleugerir aquesta anèmica hemolítica reduint-hi la mortalitat.

La proteïna de fusió CU43-Fc prevé una forma agreujada de dengue en un model de ratolí hFcγR

En un model de ratolí hFcγR que és alhora knock-out per al gen de l’intereró de tipus I, la infecció amb el virus dengue DENV2 indueix una patologia en gran mesura mediada per la formació anticossos contra el virus més que no pas de l’acció directa del virus. CU43-Fc és capaç de prevenir aquest agreujament reduint la pèrdua de pes i la mortalitat.

Les perspectives de CU43

Actualment no hi ha una teràpia guaridora de les malalties autoimmunes. Els tractaments actuals cerquen una supressió global de l’activitat immune, com fan els corticoesteroides. L’efgartigimod és l’únic medicament que actua específicament contra la interacció IgG-FcR, i tan sols s’ha autoritzat en la miastènia gravis generalitzada. En alguns dels models animals d’aquest estudi CU43-Fc és 4000 vegades més actiu que l’efgartigimod. Això obre la porta a aplicacions en el tractament de malalties autoimmunes, en el tractament del rebuig de transplantaments d’òrgans sòlids, en les complicacions de malalties virals degudes a la generació d’anticossos, etc. Sastre et al. són conscients que això passa per un treball d’enginyeria enzimàtica enfocada a glicoformes i subclasses d’IgG.

Lligams:

- Potent efficacy of an IgG-specific endoglycosidase against IgG-mediated pathologies. Diego E. Sastre, Stylianos Bournazos, Jonathan Du, E. Josephine Boder, Julia E. Edgar, Tala Azzam, Nazneen Sultana, Maros Huliciak, Maria Flowers, Lea Yoza, Ting Xu, Tatiana A. Chernova, Jeffrey V. Ravetch, Eric J. Sundberg. Cell (2024).

És possible la fotosíntesi a Mart?

Exobiologia: Aditya Khuller és investigador postdoctoral al Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Entre els aspectes que estudia hi ha els gels planetaris. Aquesta setmana ha publicat com a autor primer i corresponsal un article a Communications Earth & Environment on reflexiona sobre la potencialitat de la fotosíntesi en l’interior de la neu i del gel de Mart. A la Terra hom assum que la fotosíntesi és general en les terres emergides desproveïdes de gel, i que ho és també en la capa superior de les masses d’aigua (zona fòtica), però oblidem habitualment que la radiació solar també arriba fins a un metres dins del gel. Certament la zona fòtica d’una massa de gel és relativament prima, d’uns metres tan sols, i això matisant-ho segons les propietats òptiques d’aquesta massa. Al gel encara més que en l’aigua líquida hi ha una forta absorció de la radiació ultraviolada. Això, però, no és pas dolent per organismes psicròfils fotosintètics que viuen dins del gel i que queden així protegits dels efectes perjudicials de la radiació ultraviolada. La clau per a aquests organismes de la criosfera és una certa disponibilitat d’aigua líquida i d’uns nivells suficients de radiació activa fotosintèticament. Va a dir que a la Terra hi ha una absorció de radiació ultraviolada per l’acció de la capa d’ozó estratosfèrica. A Mart, en canvi, no hi ha aquesta protecció i la radiació ultraviolada que arriba a la superfície és un 30% superior a la de la Terra, malgrat ésser un planeta un 50% més allunyat del Sol. Khuller et al. han modelat la transferència radiativa Mart comptant amb els efectes deleteris de la radiació ultraviolada per tal de definir zones que siguin radiativament habitables, és a dir zones de Mart on potencialment pot haver fotosíntesi. Aquestes zones habitables es trobarien en zones de latitud mitjana amb gel exposat a la radiació solar. En un gel pur, aquesta capa fòtica arribaria a uns quants metres. En un gel amb un contingut de pols entre el 0,01 i el 0,1%, seria d’uns pocs centímetres. Khuller també modelitzen el comportament de la neu en latituds mitjanes de Mart: si és prou densa i té un bon contingut de pols pot arribar a fondre’s. Així si en la zona fòtica del gel marcià hi ha prou disponibilitat d’aigua líquida tindríem el lloc més propici per a cercar vida actual a aquest planeta.

La latitud més propera a l’equador on s’ha detectat la presència de gel d’aigua és 33°S. Khuller et al. han calcular la variació espectral de flux actínic segons la fondària per a diferents tipus de gel segons el radi de gra i el contingut de pols.

Gel i neu a Mart

Aditya R. Khuller és investigador al Jet Propulsion Laboratory del California Institute of Technology, amb seu a Pasadena. Steven G. Warren és professor emèrit del Department of Atmospheric Sciences de la University of Washington, a Seattle. Philip Christensen és professor de la School of Earth and Space Exploration de l’Arizona State University, a Tempe. Gary D. Clow és investigador de l’Institute of Arctic and Alpine Research de la University of Colorado Boulder.

La recerca s’ha fet en part al JPL sota un contracte de la NASA. Els autors agraeixen Joe Aslin, Candice Bedford, Kathleen Williamson, Matt Cooper i Carol Stoker els comentaris fets en l’elaboració de l’article. Agraeixen Matt Cooper per fer-los arribar mesures de radiació fets en una glacera de Groenlàndia. També agraeixen les discussions amb Erin Burkett, Scott Perl, Alejandro Martinez, Rahul Kushwaha, i Arnav Banerji.

L’article fou tramès a la revista el 23 de febrer del 2024. Després d’una revisió l’article fou acceptat el 25 de setembre i publicat el 17 d’octubre.

En les zones polars de Mart, a latituds de 75°, hom ha detectat la presència de gel d’aigua amb un contingut de pols inferior a l’1% en termes de massa. Aquest gel relativament net es troba exposat a la superfície.

En latituds inferiors, de 60° a 30°, aquest gel de contingut moderat de pols, ja no es trobaria exposat a la superfície, sinó cobert per un material completament dessecat. Ara bé, l’impacte de meteorits pot retirar aquest material dessecat, que també es pot desprendre de zones de pendent elevat.

El gel de latituds mitjanes a Mart tindria un caràcter ‘fòssil’. Seria el producte de l’acumulació de neu polsegosa en períodes d’alta obliqüitat orbital de Mart. Aquests ‘períodes glacials’ haurien tingut lloc nombroses vegades en els darrers milions d’anys. En qüestió de segles, aquesta neu es transforma en congesta de gra més groller, i més endavant en gel de glacera.

La neu, la congesta i el glaç són relativament transparents. L’absorció de la radiació electromagnètica fotosintèticament activa (longituds d’ona de 400 a 700 nm, més o menys la llum visible) i de la radiació ultraviolada (longituds d’ona de 200 a 400 nm) és feble. Aquestes dues bandes són les més abundants en la radiació solar, i totes dues poden arribar a uns quants metres a l’interior de la neu o del gel.

A la Terra, masses de neu o de gel, situades en contacte amb l’atmosfera, es beneficien de la reducció de radiació ultraviolada que efectua la capa d’ozó. Això permet l’existència de zones radiativament habitables dins del gel, és a dir de zones on és possible la fotosíntesi.

A Mart, el nivell de radiació ultraviolada a la superfície és un 30% superior a la de la Terra. Aquest és un factor que fa que les zones radiativament habitables de la neu i del gel polars de Mart se situïn a una fondària entre 5 cm i 4,5 metres. El primer límit es defineix com la zona on ja hi ha hagut prou absorció de radiació ultraviolada. El segon límit es defineix com la zona on ja hi ha hagut massa absorció de radiació visible. Val a dir que aquesta modelització es basa en els organismes fotosintètics actualment existents a la Terra. Al mateix temps les simulacions fan mà d’anàlegs naturals i sintètics de neu i de gel de mar que tenim a la Terra. Khuller et al. pensen que aquestes simulacions no tenen prou en compte que la neu marciana actual s’ha transformat ja en congesta o glaç. La congesta i el glaç ofereixen encara menys resistència al pas de la radiació solar que no pas la neu o el gel de mar.

Khuller et al. també recorden un altre aspecte. El règim de temperatures a les zones polars de Mart no permeten que la neu o el gel arribin a fondre’s mai. Així, per molt que hi penetri la llum, no poden ésser zones radiativament habitables per manca de disponibilitat d’aigua líquida. Per això Khuller et al. es fixen en la situació de gel polsegós exposat en latituds mitjanes, situades entre els 30 i els 50º.

Khuller et al. han desenvolupat un model de transferència radiativa per al gel. Utilitzen el mètode Delta-Eddington, tenint en compte diverses barreges de neu, congesta i glaç, així com de la presència de pols marciana. La pols marciana té una capacitat d’absorció de la radiació solar set ordres de magnitud superior a la del gel. La raó d’això es troba en la presència de ferro fèrric, molt més abundant en l’escorça de Mart que la de la Terra, degut a la diferent història dels dos planetes pel que fa a la separació de nucli i mantell.

Zones radiativament habitables a Mart

Cap missió a la superfície de Mart ha avaluat el flux espectral de radiació solar dins del gel de Mart. Khuller et al. utilitzen per això mesures d’irradiància espectral obtingudes en una columna verticalment heterogènia de gel de glacera de Groenlàndia. El nivell d’impureses d’aquest gel equival a 0,001-0,002 ppm de carbó negre.

El model de Khuller et al. té en compte el fet que el radi de gra i la densitat del material és crucial en el comportament òptic d’una massa de neu o de gel. Això explica que la radiació solar tingui una major penetració en neu granulada, congesta o glacera, que no pas en neu fresca de gra més fi.

Khuller et al. consideren que el paràmetre de radiació rellevant per a la fotosíntesi és el flux actínic o irradiància escalar. Aquest paràmetre integra tota la radiància amb independència de la direcció, o del grau de difusió. Al capdavall els organismes fotosintètics utilitzen els fotons disponibles de totes direccions i angles.

Com que hom ha detectat la presència de gel d’aigua a una latitud de 33°S, aquesta és la situació que Khuller et al. prefereixen per al seu model. Assumeixen que un gel pur, la major penetració s’assoleix a la banda de 0,42 μm de longitud d’ona (llum blava-violada), seguida després per la banda ultraviolada. Així, la banda vermella de 0,7 μm és la més absorbida pel gel d’entre la franja fotosintèticament activa. En gel pur, la radiació fotosintèticament activa pot arribar, en la banda violada, fins a 6,5 metres. Ara bé, la radiació ultraviolada també penetra força, i arriba a uns 6 metres de fondària.

La presència de pols marciana altera la situació. Amb una presència de 0,01% de pols, la major penetració correspon a la banda vermella (0,7 μm). L’atenuació de la radiació ultraviolada es multiplica llavors per 25: la radiació ultraviolada no passa de 15 cm si la pols és del 0,01% o de 2 cm si la pols és de 0,1%. Ara bé, la pols també redueix dràsticament la penetració de radiació solar en el gel, que amb prou feines arriba a 40 cm de fondària. Quan el valor de pols puja al 0,1%, la penetració es redueix a 5,5 cm de fondària.

Per a definir la zona radiativament habitable, Khuller et al. es fonamenten en el fet que els organismes fotosintètics de la Terra necessiten un flux actínic mínim de 10 nmol fotons·m^-2·s^-1 (= 0,0022 W·m^-2).

Per a una congesta neta amb un contingut de pols de 0,0001 ppm, una densitat de 775 kg·m^-3 i un radi de gra de 2,5 m, situada a una latitud de 40°, la zona radiativament habitable es trobaria entre 2,15 i 3,10 de fondària. La radiació en aquesta zona, val a dir, seria molt tènue.

Per a un gel amb un contingut de pols de l’1%, la zona radiativament habitable es trobaria entre 2 i 6 metres de fondària.

Per a un gel amb un contingut de pols de 0,01%, com més gran sigui la mida de gra més profunda i àmplia serà la zona radiativament habitable. Per a una neu granulada (mida de gra de 360 μm, i densitat de 390 kg·m^-3) la zona radiativament habitable es trobaria en la franja de 5 a 18 cm de fondària. Per a un gel de glacera (mida de gra de 15 mm, i densitat de 910 kg·m^-3), la franja seria situada entre 10 i 38 cm de fondària.

L’efecte de la latitud sobre les dimensiones d’aquestes capes fòtiques seria menor. Al capdavall, la variació latitudinal sobre el pic estival de flux solar no és tan gran. El que no és tan menyspreable és la variació de l’angle zenital solar local. Aquest angle varia lògicament al llarg del dia (pic al migdia) i de l’any (pic en el solstici estival).

Khuller et al. pensen que la zona fòtica del gel amb un contingut de pols de l’1% o més, és massa prima i massa superficial (va de 2 a 6 mm) com perquè hi pugui haver fotosíntesi. Si el contingut de pols és inferior al 0,1%, en canvi, la zona fòtica és més profunda i més àmplia.

Khuller et al. conclouen que organismes fotosintètics terrestres podrien trobar condicions radiatives favorables en algunes localitats de gel exposat de Mart. Però les condicions radiatives no ho són tot. Fins i tot l’organisme fotosintètic terrestre més psicròfil requereix una temperatura superior a 255 K per realitzar divisions cel·lulars, i requereix alhora aigua líquida per fer fotosíntesi (la fotòlisi d’aigua i l’alliberament conseqüent d’oxigen és el primer pas de la fotosíntesi oxigènica). En la zona fòtica del gel marcià que calculen Khuller et al. les temperatures són massa fredes perquè hi hagi fusió. Tampoc és probable que el gel present en porus del sòl marcià arribi a fondre’s. Un cas diferent seria el de la neu marciana: alguns models numèrics indiquen que la fusió de neu oferiria una precipitació equivalent a 0,33 mm diaris durant 50 dies de cada any marcià (un any marcià dura 668,6 dies marcians).

La pressió parcial de vapor d’aigua a Mart és de 1 Pa. Això fa que l’aigua líquida exposada a la superfície de Mart s’evapori ràpidament. No obstant, l’aigua líquida generada dins de la neu podria quedar protegida front l’evaporació. El gas dels porus de la neu es troba saturat de vapor d’aigua, i també actuarien en contra de l’evaporació les capes superiors de neu, gel i pols. Una neu polsegosa exposada a la superfície, per exemple, en pendents pronunciats, podria arribar a una temperatura de 273 K i a una pressió parcial local d’aigua de 611 Pa: en aquestes condicions l’aigua líquida subsuperficial seria estable.

Ens pot semblar que aquesta disponibilitat d’aigua líquida és massa precària. No obstant a la Terra hi ha hàbitats microbians en la subsuperfície (cm-m) de capes de gel, glaceres o llacs gelats. En aquests hàbitats la pols i el sediment fosc juga un paper en l’absorció de radiació solar i la consegüent fusió. Entre els microorganismes que hi viuen hi ha cianobacteris, cloròfits, fongs, diatomees i bacteris heterotròfics. En aquests ecosistemes l’organisme dominant són els cianobacteris. N’hi ha prou amb uns pocs dies d’activitat al llarg de l’any per sostindre la comunitat cianobacteriana.

Khuller et al. consideren que futures missions robòtiques i humanes a Mart haurien de pensar en aquesta mena d’hàbitats com el lloc més accessible on realitzar prospeccions per trobar i estudiar els organismes vivents de Mart.

Lligams:

- Potential for photosynthesis on Mars within snow and ice. Aditya R. Khuller, Stephen G. Warren, Philip R. Christensen, Gary D. Clow. Communications Earth & Environment 5: 583 (2024).

- Planetary Spectrum Generator.

- The Mars Climate Database

- Gebrades matinals dalt dels volcans tropicals de Mart (12/06/2024).

- El casquet antàrtic de Mart consisteix en glaç aquós en un 90% (18/03/2007).

Institucions i prosperitat (Acemoglu, Johnson & Robinson, Premi Nobel d’Economia, 2024)

Economia política: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Sveriges Riksbank en Ciències Econòmiques a Daron Acemoglu, Simon Johnson i James A. Robinson per «estudis de com es formen les institucions i de com afecten la prosperitat». Els tres es repartiren la dotació del premi, 11 milions de corones sueques, a parts iguals.

A ‘Why Nations Fail’ (2012), Daron Acemoglu i James Robinson proven d’explicar les raons de fallida nacional a través dels orígens del poder, de la prosperitat i de a pobresa.

Daron Acemoglu

Kamer Daron Acemoğlu (*Istanbul, 3.9.1967) nasqué al si d’una família armènia turcòfona d’Istanbul formada per Kevork Acemoglu (1938-1998), advocat mercantil i professor de la Universitat d’Istanbul, i Irma Acemoglu (morta el 1991), directora de l’escola elemental Aramyan Uncuyan. Fou a la Aramyan Uncuyan, escola armènia de Kadıköy, on rebé l’educació primària. L’educació secundària la va fer al Galatasaray Lisesi, completant-la el 1986. Es graduà en economia a la University of York el 1989. Interessat en política i economia passà a la London School of Economics (LSE), on va fer un màster en econometria i econòmica matemàtica (1990). Es doctorà el 1992 a la LSE amb la tesi ‘Essays in Microfoundations of Macroeconomics: Contracts and Economic Performance’, supervisada per Kevin W. S. Roberts. Des del 1993 és professor d’economia del Massachusetts Institute of Technology (MIT). És el marit d’Asuman Ozdağlar, professora d’enginyeria elèctrica i informàtica del MIT, amb la que ha col·laborat en diverses publicacions. Són pares de dos fills, Arda i Aras.

Simon Johnson

Simon Johnson (*Sheffield, 16.1.1963) es graduà a la University of Oxford. Va fer un màster a la University of Manchester. Es doctorà el 1989 en economia amb la tesi Inflation, intermediation, and economic activity. Entre el març del 2007 i l’agost del 2008 fou economista en cap del Fons Monetari Internacional. El novembre del 2020 fou voluntari de l’Agency Review Team que havia de col·laborar en la transició de l’Administració Trump a l’Administració Biden en el Departament del Tresor i en la Reserva Federal. És professor d’emprenedoria de la MIT Sloan School of Management.

James A. Robinson

James Alan Robinson (*1960) es graduà en economia a la LSE. Va fer un màster a la University of Warwick. Es doctorà el 1993 a la Yale University. Després fou professor a la UC Berkeley i a la University of Melbourne. Entre el 2004 i el 2015 fou professor de govern a la Harvard University. Des del 2015 és professor de la University of Chicago i director de The Pearson Institute for the Study and Resolution of Global Conflicts, centre adscrit a aquella universitat.

Formació i funcionament d'institucions econòmiques

Trobem entre les societats humanes grans disparitats en termes de prosperitat. Parlem, doncs, de països rics i de països pobres. El 20% de països més rics tenen una renda 30 vegades superior a la del 20% dels països més pobres. Encara que els països més pobres experimenten un creixement de la riquesa, la disparitat amb els països més rics persisteix. Un element d’aquesta disparitat són les diferències existents entre institucions. Acemoglu, Johnson i Robinson han estudiat la introducció d’institucions polítiques i econòmiques europees en països colonitzats. Això els ha permès definir les relacions entre institucions i prosperitat. Han aprofundit alhora en la teoria de la persistència de diferències econòmiques i dels canvis institucionals. El seu llibre més conegut és ‘Why Nations Fail’ (2012). Un estat de dret deficient i institucions fonamentades en la sobreexplotació de la població ni generen creixement econòmic ni fomenten el desenvolupament humà. Malgrat que la correlació entre institucions i prosperitat és clara, no ho és pas tant la connexió entre els dos factors. Entre un país ric i un país pobre, a banda de les diferències institucionals, n’hi ha de moltes altres. Un país pròsper ho té més fàcil per a emprendre millores institucionals.

De tots els països del món només onze escaparen completament al colonialisme europeu dels segles XIX i XX: Afganistan, Bhutan, Iran, Japó, Libèria, Mongòlia, Nepal, Xina, Corea, Aràbia Saudita, Tailàndia i Turquia. I d’aquests no pocs caigueren en situacions de semicolonialisme. L’imperialisme canvià profundament les institucions de les societats colonitzades. Ara bé, el colonialisme europeu funcionà en onades diferents i amb finalitats diferents. Les colònies d’explotació, en general, cercaven l’explotació de la població indígena i l’extracció de recursos en benefici de la metròpoli. Les colònies de poblament implicaven l’assentament de colons europeus, al voltant dels qual s’erigien sistemes polítics i econòmics que, si arribaven a integrar la població indígena, era per a sotmetre-la als interessos dels colons europeus.

Acemoglu, Johnson i Robinson observaren que les colònies pobres on s’havien introduït institucions inclusives evolucionaren després de la colonització a països amb una població generalment pròspera. Tot al contrari passà en les colònies riques amb unes institucions colonials enfocades a l’explotació de recursos: la descolonització evidencià l’empobriment resultant. Així s’explica la paradoxa de com països rics colonitzats han esdevingut pobres, i països pobres colonitzats han esdevingut rics.

Acemoglu, Johnson i Robinson trobaren que els països colonitzats on els colons tenien una major mortalitat tendeixen a figurar actualment en la llista de països de menys renda per càpita. Aquest és el perfil de les anomenades ‘colònies d’explotació’, considerades gens saludables, per a introduir-hi massivament colons europees. En conseqüència la institució colonial d’aquests països prenia una forma diferent a la de les colònies de poblament. Eren institucions extractives.

Països marcats per unes institucions extractives i un baix creixement econòmic podrien beneficiar-se de la introducció d’institucions inclusives. Ara bé, els beneficis de les institucions inclusives només s’aconsegueixen a llarg termini si bé redunden en la generalitat de la població i condueixen a una reducció de la pobresa. En canvi, els beneficis de les institucions extractes es fan notar ja a curt termini a favor dels poderosos. Així les elits mantenen un sistema polític que els garanteix romandre en control del país, per molt que puguin fer promeses de futures reformes econòmiques. Extractivisme i exclusió provoquen que no hi hagi cap millora.

La persistència de la situació de pobresa mina la credibilitat de les elits poderoses. Això obre la possibilitat de situacions on aquestes elits perceben l’amenaça de revolució. Aquesta amenaça confronta els poderosos a un dilema: romandre en el poder i intentar aplacar el malestar amb la promesa de reformes econòmiques, o bé iniciar una transferència del poder i una transició democràtica.

Acemoglu, Johnson i Robinson han estudiat el cas particular de la ciutat de Nogales. La meitat sud pertany a l’estat mexicà de Sonora. La meitat nord pertany a l’estat americà d’Arizona. Aquesta frontera quedà establerta arran del Tractat de Mesilla, que entrà en vigor el 8 de juny del 1854. Una tanca separa les dues meitats de Nogales.

Nogales, Arizona, és una localitat relativament acomodada, amb una considerable esperança de vida i una alta proporció de persones amb estudis secundaris o superiors. La població de Nogales, Arizona, compta amb força seguretat quant als drets de propietat i confien en poder rebre els beneficis pertinents dels seus investiments. Cada quatre anys voten un consell local de sis membres, del quals surt un alcalde, que pren la decisió de nomenar el gestor municipal. Hi ha alternativa d’opcions polítiques.

Nogales, Sonora, té un nivell de vida clarament inferior a Nogales, Arizona, per bé que superior a la mitjana mexicana. El crim organitzat fa que els negocis a Nogales, Sonora, suposa un major risc per a l’obertura i manteniment d’empreses. La corrupció política confia en la manca efectiva d’alternatives electorals.

El contrast entre les dues ciutats ressalta més si pensem que comparteixen coordenades geogràfiques i factors climàtics. Els habitants tenen, en general, el mateix origen i comparteixen cultura en termes gastronòmics o artístics (música, etc.).

La diferència decisiva rau en institucions. A Nogales, Arizona, viuen en el sistema econòmic dels Estats Units d’Amèrica, caracteritzat per majors oportunitats d’elecció d’educació i de professió. També viuen en el sistema polític dels EUA, amb amplis drets polítics, i l’alternança que suposa la competència entre republicans i demòcrates.

A Nogales, Sonora, les condicions econòmiques són unes altres, i el sistema polític no és conduent a la influència popular sobre la legislació.

Hom pot resumir la situació assenyalant les institucions inclusives de Nogales, Arizona i les extractives de Nogales, Sonora. Acemoglu, Johnson i Robinson han tractat especialment aquesta dicotomia en el context de la colonització europea. Institucionalment hi havia dos tipus de colònies:
- colònies que tenien com a objectiu l’explotació de la població indígena i l’extracció de recursos naturals en benefici dels colonitzadors.
- colònies que tenien com a objectiu l’assentament de colons europeus. En aquestes colònies de poblament ho bastia sistemes polítics i econòmics inclusiu pensant en el benefici a llarg termini dels colons europeus.

Un factor per decidir si una colònia era o no propícia al poblament europeu era la densitat demogràfica de la població indígena. Com més densa fos la població indígena, més resistència oferiria a colons europeus. Alhora, aquesta població indígena densa fornia potencialment una mà d’obra més barata que la de colons europeus. Així països densament poblats tendien a rebre un menor nombre de colons europeus. Els pocs colons d’aquests països establien institucions extractives enfocades al benefici d’una petita elit local. Habitualment ni hi havia eleccions i amb prou feines es reconeixien drets polítics als pocs colons europeus.

Les colònies de poblament, per norma general, tendien a ser zones amb una població indígena molt menys densa. La capacitat de resistència de la població autòctona era inferior, i també ho era el seu potencial per oferir mà d’obra. Ací les institucions econòmiques eren inclusives, dissenyades per incentivar el treball i l’investiment dels colons europeus. Aquests reivindicaven drets polítics i una participació en els beneficis colonials.

Si pensem en Nueva España la situació era més pròpia de la d’una colònia extractiva en el marc de l’Imperi Espanyol. En canvi, les colònies britàniques de Massachusetts a Geòrgia foren encaminades aviat a la situació de colònia de poblament. No es tracta d’una peculiaritat de cada imperi. En l’Imperi Britànic, com en els imperis colonials francesos, portuguès i espanyol, trobem a la vegada colònies d’assentament i colònies d’explotació, així com situacions intermèdies.

Les primeres onades de colonització europea remunten a fa mig mil·lenni. Les parts del món més pròsperes eren també les més densament poblades: allà els pioners europeus trobaven més convenient l’establiment d’institucions extractives, que els permetessin d’explotar la població indígena o la d’esclaus introduïts, i també d’extraure recursos naturals.

En el cas de l’Amèrica del Nord de principi del segle XVI és notori que la urbanització era molt superior en zona de l’Imperi Asteca que no pas a les àrees de població dispersa de més al nord. Però és en aquestes àrees de població dispersa on, especialment a partir del segle XVII, comença l’assentament d’europeus, que ràpidament esdevenen el grup demogràfic majoritari. En aquestes zones els colons europeus introduïen i mantenien institucions inclusives (per bé que excloents per a la població indígena), que promovien la prosperitat a llarg termini dels colons.

En canvi, les institucions de caire més extractiu de les zones amb un major percentatge de població indígena no conduïen gens a la prosperitat. Ans al contrari, en benefici d’una petita elit, conduïen a l’empobriment de regions anteriorment riques.

En el món anterior a la colonització europea, els patrons de prosperitat tendien a reproduir-se a llarg termini. Així les regions més urbanes i més riques romanien així malgrat els canvis de dinasties i de civilitzacions. Fet i fet, durant segles les zones més urbanitzades i més riques foren Mesopotàmia, la Vall del Nil, la Plana Indo-Gangètica, la Plana Nord de la Xina, la Costa Andina i la Costa Mesoamericana del Golf.

Si important és la colonització europea per entendre les diferències econòmiques actuals, no ho és pas menys la revolució industrial. A final del segle XVIII, la producció industrial d’Índia era encara superior a la dels recentment independitzats Estats Units d’Amèrica. Acemoglu, Johnson i Robinson també han assenyalat el rol de les diferències institucionals en el destí de la industrialització dels darrers dos-cents anys. Per ells les innovacions tècniques requerien, per tal d’arrelar, unes institucions inclusives.

Ara bé, la industrialització del segle XIX també comportà una nova empenta a la colonització europea. Les institucions colonials més inclusives es trobaven als països amb una major proporció de colons europeus, i fou allà on hi havia més probabilitat d’establir sistemes econòmiques que promoguessin el creixement econòmic a llarg termini.

Acemoglu, Johnson i Robinson també han remarcat el rol de la mortalitat dels colons europeus com a factor clau en la diferenciació entre ‘colònies de poblament’ i ‘colònies d’explotació’. La literatura europea de l’època ja assenyala els perills vinculats a les regions intertropicals en termes de malalties mortals. Això fa contrastar les regions temperades d’Amèrica amb les tropicals, i el mateix s’esdevé a Àfrica. L’Imperi Britànic trobà més fàcil de convertir en colònies de poblament Nova Zelanda i Austràlia que no pas l’Índia. Acemoglu, Johnson i Robinson expliquen que les zones amb malalties més perilloses per als europeus en el segle XIX són les que actualment pateixen sistemes econòmics més disfuncionals, major pobresa, major corrupció i estat de dret més feble. La relació és que en les zones més inhòspites per a un assentament europeu massiu rebien per part dels colons europeus unes institucions més orientades a l’extractivisme.

En el 1748 Montesquieu publicava a De l’esprit des lois el comentari que les societats de zones de clima temperat són econòmicament més productives que les dels tròpics. Per a Montesquieu això era degut a una influència del clima. Acemoglu, Johnson i Robinson insisteixen que la connexió entre els dos factors es fa a través de les institucions. Els europeus, com a població temperada, preferien el poblament d’àrees temperades d’Amèrica del Nord, o de les àrees temperades de l’hemisferi sud. Fou aquí on el colonialisme europeu no pogué introduir les institucions més extractives que sí va poder introduir en les zones intertropicals.

Acemoglu, Johnson i Robinson han treballat sobre els conflictes polítics al voltant de les institucions. Aquests conflictes defineixen les relacions entre les elits dominants i la població general. Com més evident és el caràcter extractiu d’una institució, menys creïbles són les promeses de reforma econòmica que fan les elits a les masses. Un sistema polític que permeti l’alternança de poder pot fer que la població arrabassi al poder a les elits que no compleixen aquestes promeses. Justament per això les elits extractives malden per no fer concessions: no creuen possible una entesa en la que siguin compensades.

Les societats amb institucions extractives generen també la palanca per ésser enderrocades. Malgrat l’enriquiment de les elits, les masses empobrides compten amb l’avantatge numèric. La mobilització popular pot esdevindre una força revolucionària. Acemoglu, Johnson i Robinson han remarcat com els moviments democratitzadors amb mobilitzacions pacífiques poden ser més inclusius i assolir una major força. Llavors les elits han de fer-hi front. L’opció de fer promeses de reforma pot topar amb la manca de credibilitat.

En el canvi institucional Acemoglu, Johnson i Robinson distingeixen tres components:
- 1) conflicte sobre la distribució de recursos i del poder de decisió, amb una polaritat entre les elits i les masses.
- 2) la capacitat de les masses d’exercir poder a través de la mobilització i d’amenaçar l’elit dominant.
- 3) el problema de compromís, que obliga l’elit a cedir el poder decisori a les masses.

Acemoglu, Johnson i Robinson han aplicat el model al procés de democratització de l’Europa Occidental a final del segle XIX i principi del segle XX. Posen com a exemple l’extensió del sufragi a Gran Bretanya, feta a etapes successives precedides per vagues generals i protestes àmplies. A Suècia l’extensió del sufragi de desembre del 1918 es va fer sota mobilitzacions que recordaven la revolució russa de l’any anterior. Certament, però, en molts països les elits poden aconseguir mantindre el monopoli del poder, però això acaba per constituir un obstacle al creixement econòmic: les pròpies elits poden veure’s obligades a blocar la introducció de noves tecnologies.

Lligams:

- Pressmeddelande: Ekonomipriset 2024.

- Economic Origins of Dictatorship and Democracy. Daron Acemoglu, James A. Robinson. Cambridge University Press (2005).

- Income and Democracy. Daron Acemoglu, Simon Johnson, James A. Robinson, Pierre Yared. American Economic Review 98: 808-842 (2008).

- Why Nations Fail: The Origins of Power, Prosperity, and Poverty. Daron Acemoglu, James A. Robinson. Crown Business (2012).

- The Narrow Corridor: How Nations Struggle for Liberty. Daron Acemoglu, James A. Robinson. Penguin Press (2019).

- Non-Modernization: Power–Culture Trajectories and the Dynamics of Political Institutions. Daron Acemoglu, James Robinson. Annual Review of Political Science 25: 323-339 (2022).

Computació i predicció de l'estructura de proteïnes (Baker, Hassabis & Jumper; Premi Nobel de Química, 2024)

Biologia molecular: L'Acadèmia Reial Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Química a David Baker "pel disseny computacional de proteïnes" i a Demis Hassabis i John M. Jumper "per la predicció de l'estructura de proteïnes". Baker rebrà la meitat del guardó, és a dir 5,5 milions de kronor sueques. Hassabis i Jumper rebran conjuntament l’altra meitat.

Esquema de funcionament d’AlphaFold2, desenvolupat per Demis Hassabis i John M. Jumper, eina capaç de deduir l’estructura tridimensional d’una proteïna a partir de la seva seqüència aminoacídica.

David Baker

David Baker (*Seattle, 6.10.1962) va nàixer al si de la família jueva formada pel físic Marshall Baker i la geofísica Marcia Bourgin Baker. Es graduà a la Havard University el 1984. Realitzà la tesi doctoral a la University of California, Berkeley, en el laboratori de Randy Schekman (*1948) sobre el transport i tràfic de proteïnes en el llevat, que defensà reeixidament en el 1989. Entre el 1989 i el 1993 fou investigador postdoctoral en el laboratori de biofísica de David Agard, de la UC, San Francisco. El 1993 començà a treballar en el Department of Biochemistry de la University of Washington School of Medicine. Actualment és professor de bioquímica a la University of Washington Seattle, director de l’Institute for Protein Design i investigador del Howard Hughes Medical Institute (des del 2000). És el marit de la bioquímica Hannele Ruohola-Baker (*1959), amb la que tingué dos fills.

Demis Hassabis

Demis Hassabis (*Londres, 27.7.1976) és fill d’un matrimoni del nord de Londres format per un greco-xipriota i una singapuresa. A quatre anys ja destacava com un prodigi dels escacs, guanyant premis per a l’equip infantil d’Anglaterra. Entre el 1988 i el 1990 estudià al Queen Elizabeth’s School, Barnet. Més endavant fou educat a casa pels pares. Amb els premis dels escacs, comprà un ZX Spectrum 48K i estudià pel seu compte programació. Després fins a 16 anys estudià al Christ’s College, Finchley. Sol·licità llavors l’ingrés a la Cambridge University, la qual li recomanà d’esperar-se un any, que aprofità per treballar en disseny de videojocs a Bullfrog Productions. Allà intervingué en els jocs Syndicate i Theme Park (1994), col·laborant amb Peter Molyneux (*1959). Passà després al Queen’s College, Cambridge, on es graduà en informàtica (1997). Llavors entrà a treballar a Lionhead Studios, fundada per Molyneux. El 1998 fundà ell mateix Elixir Studios, que va vendre el 2005. Sota la supervisió d’Eleanor Maguire (*1970) inicià una tesi doctoral en neurociència cognitiva que defensà reeixidament en el 2009. Treballa després en el laboratori de Tomaso Poggio (*1947) al MIT i a la Harvard University. Més endavant fou investigador postdoctoral sota Peter Dayan al Gatsby Computational Neuroscience Unit del UCL. Investigà en el camps de la imaginació, la memòria i l’amnèsia. Identificà la construcció d’escena com a element central del sistema de memòria episòdica (Hassabis & Maguire, 2007). En el 2010 co-fundà DeepMind com a start-up d’intel·ligència artificial, que en el 2014 fou adquirida per Google. Actualment treballa a Google DeepMind.

John M. Jumper

John Michael Jumper (*Little Rock, 1985) es graduà en física i matemàtica a la Vanderbilt University. Després passà a la University of Cambridge on realitza una tesina de màster sobre física teòrica de matèria condensada. Es doctorà en el 2017 a la University of Chicago amb una tesi sobre l’aplicació de l’aprenentatge mecànica en la simulació del plegament i dinàmica de proteïnes, sota la supervisió conjunta de Tobin R. Sosnick i Karl Freed (*1942). Actualment treballa a Google DeepMind.

Disseny computacional de proteïnes

El disseny computacional de proteïnes permet aconseguir proteïnes amb noves funcions i característiques que hom no troba en les proteïnes naturals. David Baker fou pioner en aquest disseny computacional.

Les proteïnes són les eines químiques fonamentals de la matèria viva. Controlen i catalitzen la pràctica totalitat de les reaccions químiques dels sistemes biològics. Una part de les hormones, moltes substàncies senyalitzadores, tots els anticossos i la majoria dels elements estructurals dels teixits són proteïnes.

Malgrat l’ample ventall de funcions i formes, la base constitutiva de les proteïnes es redueix pràcticament a 20 tipus diferents d’aminoàcids. Una cadena peptídica de n aminoàcids pot presentar 20ⁿ combinacions, i la maquinària de síntesi proteica pot generar-les totes.

David Baker havia desenvolupat el programa Rosetta de predicció d’estructures tridimensionals de proteïnes a partir de la seqüència peptídica. Raonà que no pas menys interessant seria predir la seqüència peptídica a partir de l’estructura tridimensional. L’estructura tridimensional informa de la funcionalitat de la proteïna, i amb una Rosetta inversa seria possible inventar noves proteïnes.

Altres grups de recerca treballaven en disseny de proteïnes o en enginyeria de proteïnes. En general, es tractava de projectes de modificació puntual de la seqüència aminoacídica per aconseguir proteïnes adaptades a nous substrats o a noves condicions de temperatura, salinitat, pH, etc. La perspectiva de Baker era diferent: es tractava de crear proteïnes de novo a partir de la funció desitjada.

En el 2003 Baker assolí el disseny d’una nova proteïna sense analogia amb les proteïnes biològiques. El primer pas era definir una nova estructura proteica d’interès. Una vegada definida, s’emprava el programa Rosetta per computar quina seqüència aminoacídica seria capaç de generar tal estructura. Per fer-ho el programa rastrejava les bases de dades de proteïnes, considerava aspectes bioenergètics i proposava una seqüència. Fou així com Baker desenvolupà la proteïna Top7. Rosetta proposà una seqüència aminoacídica. Aplicant-hi el codi genètic invers, el grup de Baker obtingué la seqüència gènica corresponent, i introduí aquest gen artificial en un vector d’expressió bacterià. La proteïna sintetitzada fou cristal·litzada i analitzada per raigs X, obtenint una estructura gairebé exacta a la predefinida. Top7 és una proteïna globular de 93 aminoàcids sense cap analogia a la natura (Kuhlman et al., 2003).

El seu laboratori ha creat des de llavors proteïnes sintètiques amb aplicacions farmacèutiques, vaccinals, en nanomaterials i en nanosensors. En el 2008 dissenyaven enzims retro-aldol (Jiang et al., 2008). En el 2013 obtenien proteïnes de síntesi capaces d’unir-se a la digoxigenina amb alta afinitat i selectivitat (Tinberg et al., 2013). En el 2016 el grup de Baker havia creat nous nanomaterials capaços de vincular espontàniament fins a 120 proteïnes. En el 2017 crearen proteïnes capaces d’unir-se a l’opioide fentanil, que podrien fer-se servir com a detectors ambientals d’aquesta substància (Bick et al., 2017). Rosetta fou millorat amb la introducció de models d’intel·ligència artificial basats en xarxes neurals transformadores (Baek et al., 2021). Així en el 2021 crearen nanopartícules amb proteïnes que imiten el virus de la grip en superfícies: han funcionat com a vaccins en models animals. En el 2022 dissenyaren una proteïna que funciona com a rotor molecular. En el 2024 desenvoluparen proteïnes amb formes geomètriques modulables per variables externes, i per tant que poden funcionar com a sensors.

Predicció de l'estructura de proteïnes

Demis Hassabis i John Jumper aconseguiren resoldre mitjançant una eina d'intel·ligència artificial, AlphaFold, el problema de predir l’estructura tridimensional d'una proteïna a partir de la seqüència de pèptids que la conformen.

Les proteïnes són en darrer polímers d’aminoàcids units per enllaços peptídiques. L’estructura primària d’una proteïna és aquesta seqüència lineal d’aminoàcids. Les cadenes laterals dels aminoàcids, però, determinen encara una estructura secundària. La globalitat de la proteïna, en interacció amb el medi, adopta un plegament que defineix una estructura terciària. Les interaccions entre proteïnes i amb altres grups bioquímics (grups prostètics) defineix una estructura quaternària. La seqüència aminoacídica d’una proteïna ve determinada, en termes generals, per la seqüència nucleotídica del gen corresponent. Un codi genètic, definit per la maquinària formada per ribosomes, ARN de transferència i aminoacil-ARN-transferases, i de caràcter gairebé universal per a tots els organismes, relaciona una i l’altra. L’estructura final de la proteïna, elucidada mitjançant tècniques de cristal·lografia de raigs X des dels anys 1950, però, no respon a un automatisme directe sobre l’estructura primària, com sí va pensar inicialment Christian Anfinsen (1916-1995). Una mateixa proteïna, per exemple, pot adoptar plegaments diferents segons el context. Cyrus Levinthal (1922-1990) calculà en el 1969 que una petita proteïna de 100 aminoàcids pot adoptar 10⁴⁷ estructures tridimensionals diferents. Si el plegament fos aleatori, el camí per arribar a l’estructura tridimensional correcte trigaria eons, però en la cèl·lula això es fa en qüestió de milisegons. La paradoxa s’explica perquè en els sistemes biològics el plegament de proteïnes es troba altament regulat, i no poques patologies poden explicar-se com a errors de plegament de proteïnes. Durant mig segle romangué obert el problema de si era realment possible predir l’estructura d’una proteïna a partir de la seqüència aminoacídica o bé a partir de la seqüència nucleotídica del seu gen. El desenvolupament de les tècniques de seqüenciació gènica fa que a les bases de dades hom disposi més fàcilment de dades sobre la seqüència gènica que no pas sobre l’estructura final de la proteïna corresponent. En l’actualitat hi ha dades de seqüència nucleotídica de 3.000 milions de gens i dades de seqüència aminoacídica de més de 200 milions de proteïnes, però hom no disposa d’imatges per cristal·lografia de raigs X més que de 200.000. Ara bé, és l’estructura tridimensional la que determina la funció d’una proteïna, la capacitat d’interacció amb altres proteïnes i la capacitat de catalitzar tal o tal altra reacció química.

En el 1994 fou bastí el projecte CASP (Critical Assessment of Protein Structure Prediction). Amb una freqüència biennal els investigadors participants rebien accés a la seqüència aminoacídica de proteïnes de les quals s’havia determinat l’estructura per cristal·lografia de raigs X. Els participants, però, no tenien accés a les dades de raigs X, sinó que havien de predir-les a partir de la seqüència.

No fou fins a CASP13 (2018) que aparegueren els primers avenços significatius. Arribaren de la mà de Hassabis, amb un currículum de mestre d’escacs, expert en neurociència i pioner en intel·ligència artificial. En les edicions prèvies de CASP els millors resultats consistien en una precisió del 40%. L’equip de Hassabis, amb el model d’intel·ligència artificial AlphaFold aconseguí una precisió del 60%.

Un altre de participants de CASP13 fou David Baker. Baker havia desenvolupat el programari Rosetta de predicció d’estructures de proteïna. Des del 1993 havia treballat en experiments de plegament de proteïnes. Rosetta quedà lluny dels resultats d’AlphaFold, però superà la majoria dels altres competidors (Simons et al., 1999).

Els resultats d’AlphaFold del 1998 eren, però, lluny de l’objectiu d’una precisió del 90%. John Jumper s’afegí a l’equip, amb el bagatge d’haver ideat mètodes per a la simulació de dinàmica de proteïnes. Així s’inicià el projecte d’AlphaFold2. L’eina fou entrenada amb les seqüències aminoacídiques de totes les proteïnes de les quals es coneix l’estructura (un parell de centenars de milers). En la fase executiva, AlphaFold2 rep una seqüència aminoacídica problema. El primer pas que fa és alinear-la amb totes les seqüències conegudes a les bases de dades per tal d’identificar-hi els aminoàcids més ben preservats evolutivament. El segon pas és explorar quins aminoàcids de la cadena poden interactuar entre ells en l’estructura tridimensional: per exemple els aminoàcids de carrega iònica negativa interactuen amb els de càrrega positiva; els aminoàcids de cadena lateral hidròfoba interactuen entre ells; etc. Amb un procés interatiu, AlphaFold2 refina el mapa de distàncies entre aminoàcids: aquest procés fa servir les xarxes neurals transformadores proposades per Jumper. L’estructura tridimensional obtinguda és analitzada fins a tres cicles abans de fixar una resposta i calcular-ne la probabilitat.

En el 2020 Hassabis i Jumper presentaren un model d’intel·ligència artificial denominat AlphaFold2 (Senior et al., 2000; Jumper et al., 2021). Aquest model fou capaç de predir l’estructura de gairebé totes les proteïnes llavors presents en les bases de dades, que pujaven a 200 milions. En els darrers quatre anys, AlphaFold2 ha estat emprat per més de dos milions d’usuaris de 190 països diferents. Entre les aplicacions que han trobat aquests usuaris hi ha un millor coneixement dels mecanismes de resistència microbiana a antibiòtics o l’elucidació dels mecanisme que permet alguns enzims de degradar plàstics.

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i kemi 2024.

- Design of a Novel Globular Protein Fold with Atomic-Level Accuracy. Brian Kuhlman, Gautam Dantas, Gregory C. Ireton, Gabriele Varani, Barry L. Stoddard, David Baker. Science 302: 1364-1368 (2003).

- Improved protein structure prediction using potentials from deep learning. Andrew W. Senior, Richard Evans, John Jumper, James Kirkpatrick, Laurent Sifre, Tim Green, Chongli Qin, Augustin Žídek, Alexander W. R. Nelson, Alex Bridgland, Hugo Penedones, Stig Petersen, Karen Simonyan, Steve Crossan, Pushmeet Kohli, David T. Jones, David Silver, Koray Kavukcuoglu, Demis Hassabis. Nature 577: 706-710 (2020).

- Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. John Jumper, Richard Evans, Alexander Pritzel, Tim Green, Michael Figurnov, Olaf Ronneberger, Kathryn Tunyasuvunakool, Russ Bates, Augustin Žídek, Anna Potapenko, Alex Bridgland, Clemens Meyer, Simon A. A. Kohl, Andrew J. Ballard, Andrew Cowie, Bernardino Romera-Paredes, Stanislav Nikolov, Rishub Jain, Jonas Adler, Trevor Back, Stig Petersen, David Reiman, Ellen Clancy, Michal Zielinski, Martin Steinegger, Michalina Pacholska, Tamas Berghammer, Sebastian Bodenstein, David Silver, Oriol Vinyals, Andrew W. Senior, Koray Kavukcuoglu, Pushmeet Kohli, Demis Hassabis. Nature 596: 583-589 (2021).

- Accurate prediction of protein structures and interactions using a three-track neural network. Baek, M.; DiMaio, F.; Anishchenko, I.; Dauparas, J.; Ovchinnikov, S.; Rie Lee, G.; Wang, J.; Cong, Q.; Kinch, L.N.; Schaeffer, R.D.; Millan, C.; Park, H.; Adams, C.; Glassman, C.R.; DeGiovanni, A.; Pereira, J.H.; Rodrigues, A.V.; van Dijk, A.A.; Ebrecht, A.C.; Opperman, D.J.; Sagmeister, T.; Buhlheller, C.; Pavkov-Keller, T.; Rathinaswamy, M.K.; Dalwadi, U.; Yip, C.K.; Burke, J.E.; Garcia, K.C.; Grishin, N.V.; Adams, P.D.; Read, R.J.; Baker, D. Science 373: 871-876 (2021).

Xarxes neurals artificials en l’aprenentatge automàtic (Hopfield & Hinton, Premi Nobel de Física, 2024)

Intel·ligència artificial: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Física d'enguany a John J. Hopfield i a Geoffrey E. Hinton "per descobertes i invencions fundacionals que permeten l'aprenentatge automàtic amb xarxes neurals artificials". Hopefield i Hinton es repartiren el premi a parts iguals.

Esquema d’una xarxa de Hopfield de quatre nodes. Cada node té un llindar a partir del qual passa de l’estat ‘off’ a l’estat ‘on’. L’estat de la xarxa neural consisteix en identificar quins nodes es troben en estat ‘on’ en cada moment.

John J. Hopfield

John Joseph Hopfield (*Chicago, 15.7.1933) és fill del matrimoni format pels físics John Joseph Hopfield (1891-1953) i Helen S. Hopfield (1899-1989). Es graduà en física al Swarthmore College de Pennsylvania (1954). La seva tesi doctoral a la Cornell University, que defensà reeixidament en el 1958, realitzada sota la supervisió d’Albert Overhauser (1925-2011), tractava d’una teoria de mecànica quàntica sobre la contribució dels excitons-polaritons a la constant dielèctrica de cristalls. Després investigà durant dos anys l’estructura d’hemoglobina al grup de biologia teòrica dels Bell Laboratories. Successivament fou professor de física a la University of California, Berkeley; de física a la Princeton University; de química i biologia al California Institute of Technology; i finalment ocupà la plaça Howard A. Prior de biologia molecular a Princeton. En el 1974 descrigué una de les vies cinètiques responsables de la reducció d’errors en processos biosintètics com ara la replicació de l’ADN (Hopfield, 1974). En el 1986 fou un dels fundadors del programa doctoral de Computació i Sistemes Neurals del Caltech. Actualment és professor emèrit de biologia molecular a la Princeton University.

Geoffrey E. Hinton

Geoffrey E. Hinton (*Londres, 6.12.1947) es formà al Clifton College de Bristol i al King’s College de Cambridge, on passà successivament per les ciències naturals, la història de l’art i la filosofia. En el 1970 es graduà en psicologia experimental. Realitzà una tesi doctoral sobre el rol de la relaxació en la visió a la University of Edinburgh, sota la supervisió de Christopher Longuet-Higgins (1923-2004), que defensà reeixidament en el 1978. Passa després per la MRC Applied Psychology Unit de la University of Sussex, per la University of California, San Diego i la Carnegie Mellon University. Fou el primer director de la Gatsby Charitable Foundation Computational Neuroscience Unit al University College London. Fou fundador de la companyia DNNresearch Inc., que el 2013 fou adquirida per Google, i per això treballà en el programa Google Brain des de llavors fins el 2023. Actualment és professor emèrit del Department of Computer Science del University College of Toronto. També és assessor del programa Learning in Machines & Brains del Canadian Institute for Advanced Research.

Xarxes neurals artificials

John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton utilitzaren eines físiques per posar les bases de l'aprenentatge mecànic mitjançant xarxes neurals artificials. Hopfield creà una estructura amb memòria associativa que pot emmagatzemar i reconstruir informació (com ara imatges). Hinton inventà un mètode que pot descobrir independentment propietats en una sèrie de dades (com ara identificar elements en imatges).

Les xarxes neurals artificials s'inspiren en les connexions sinàptiques entre neurones del cervell i d'altres regions del sistema nerviós d'animals. Els nodes de la xarxa neural artificial són anàlegs a les neurones i tenen valor intrínsec relacionat amb la seva potència. Els nodes de la xarxa poden connectar entre ells (en analogia a les sinapsis neuronals). La plasticitat d'una xarxa neural consisteix fonamentalment en la potenciació o repressió d'aquestes connexions. L'ensinistrament de la xarxa pot consistir en l'enfortiment de la connexió entre nodes d'alt valor.

La xarxa de Hopfield, desenvolupada a principi dels anys 1980, empra com a base física l'espín atòmic (Hopefield, 1982). L'entrenament consisteix en la minimització de l'energia del sistema, en el benentès que cada node pot adoptar dos valors, on i off. Això fou assajat amb la interpretació d'imatges incompletes o distorsionades, cosa que es podia assolir amb una xarxa formada per 30 nodes, un total de 435 connexions i mig miler de paràmetres. Les xarxes de Hopfield tenen la capacitat d’emmagatzemar patrons i el mètode per recrear-los. Amb David W. Tank les desenvolupà com a eina de computació (Hopfield & Tank, 1985; Hopfield & Tank, 1986). Les xarxes modernes de Hopfield aconseguiren ampliar la capacitat d’emmagatzematge de memòria (Krotov & Hopfield, 2016).

Juntament amb David Ackley i Terry Sejnowski (*1947), Hinton inventà les màquines de Boltzmann com a contrapartida estocàstica i generativa de les xarxes de Hopfield (Ackley et al., 1985). La màquina de Boltzmann pot aprendre a reconèixer elements característics d’una sèrie de dades. El seu fonament procedeix de la com física estatística tracta els sistemes integrats per nombrosos components similars a través de les equacions formulades per Ludwig Boltzmann (1844-1906). L’entrenament de la màquina de Boltzmann es fa amb exemples que molt probablement sorgiran quan aquesta entri en funcionament. Entre les aplicacions de la màquina de Boltzmann hi ha la classificació d’imatges o la creació de nous exemples d’un tipus de patró.

La màquina de Boltzmann funciona habitualment amb dos tipus de nodes. Els nodes visibles (v) són els que reben l’input d’informació. La resta (h) són nodes amagats. Així doncs hi ha dues capes, una visible i una amagada. En el funcionament de la màquina hi ha una o més normes que indiquen com s’actualitzen els valors de nodes a cada pas. Després d’una sèrie de passes, les propietats de la xarxa són fixades, per bé que continua evolucionat el patró dels nodes. Cada patró possible té una probabilitat específica determinada per l’energia de la xarxa segons l’equació de Boltzmann.

A la UC San Diego, Hinton, juntament amb David E. Rumelhart (1942-2011) i Ronald J. Williams (1945-2024), aplicà l’algoritme de propagació inversa d’errors a xarxes neurals de multinivell (Rumelhart et al., 1986).

L’aprenentatge de la màquina de Boltzmann no es fa mitjançant instruccions preestablertes, sinó per l’input d’exemples als quals s’ha d’adaptar. Hinton et al. (2006) introduïren un algoritme d’aprenentatge ràpid per a xarxes profundes. La xarxa és integrada per una sèrie de màquines de Boltzmann disposades en capes. Mitjançant un pre-entrenament, les connexions queden optimitzades de cara a l’entrenament posterior. Això fou assajat en el reconeixement d’elements en imatges.

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysik 2024.

- Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities. J. J. Hopfield. PNAS 79: 2554-2558 (1982).

- A learning algorithm for boltzmann machines. David H. Ackley, Geoffrey E. Hinton, Terrence J. Sejnowski. Cognitive Science 9: 147-169 (1985).

- “Neural” computation of decisions in optimization problems. J. J. Hopfield, D. W. Tank. Biological Cybernetics 52: 141-152 (1985).

- Computing with Neural Circuits: A Model. John J. Hopfield, David W. Tank. Science 233: 625-633 (1986).

- Learning representations by back-propagating errors. David E. Rumelhart, Geoffrey E. Hinton, Ronald J. Williams. Nature 323: 533-536 (1986).

- A fast learning algorithm for deep belief nets. Geoffrey E Hinton , Simon Osindero, Yee-Whye Teh. Neural Comput. 18: 1527-1554 (2006).

- Dense Associative Memory for Pattern Recognition. Dmitry Krotov, John J. Hopfield. Advances in Neural Information Processing Systems 29 (NIPS 2016).

- Una xarxa pentaneuronal inspirada en abelles per distingir entre parells i senars fins a quaranta (01/05/2022)

La descoberta dels microRNA (Victor Ambros & Gary Ruvkun, Premi Nobel de Fisiologia, 2024)

Biologia molecular: L’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Medicina o Fisiologia a Victor Ambros i Gary Ruvkun "per la descoberta del microRNA i del seu rol en la regulació gènica post-transcripcional". Aquesta descoberta es realitzà en el 1993 en l'organisme model Caenorhabditis elegans. Ambros i Ruvkun es repartiran el premi en parts iguals.

Victor Ambros

Victor Ambros (*Hanover, New Hampshire, 1.12.1953) pujà com a fill d’un refugiat polonès de guerra, Longin Ambros, en el si d’una família de vuit germans en una petita granja lletera de Hartland, a Vermont. Es graduà en biologia al Massachusetts Institute of Technology (1975). Allà realitzà la tesi doctoral sota la supervisió de David Baltimore (*1938) sobre la proteïna que es troba unida covalentment a l’extrem 5’ de l’ARN genòmic del poliovirus, que defensà reeixidament el 1979. Llavors s’integrà com a investigador postdoctoral al laboratori de H. Robert Horvitz (*1947), també en el MIT. El 1984 passà a la Harvard University, i el 1992 al Dartmouth College. En el 2008 s’integrà a la University of Massachusetts Medical School. Actualment és professor del programa de medicina molecular i professor Silverman de Ciències Naturals a la UMass Chan Medical School, amb seu a Worcester. El seu laboratori treballa en microRNAs i en el control genètic del desenvolupament animal, amb C. elegants com a principal organisme model.

Gary Ruvkun

Gary Bruce Ruvkun (*Berkeley, 26.3.1952) és fill de Samuel Ruvkun i Dora Gurevich. Es graduà en biofísica a la University of California, Berkeley (1973). Es doctorà en biofísica al laboratori de Frederick M. Ausubel (*1945), amb una tesi sobre la genètica molecular de la fixació de nitrogen del bacteri simbiont de llegums Ensifer meliloti, que defensà reeixidament en el 1982. Després passà pel laboratori de Robert Horvitz al MIT i pel de Walter Gilbert (*1932) a Harvard. Actualment és professor de genètica al Massachusetts General Hospital i a la Harvard Medical School, amb seu a Boston. El seu laboratori a la Harvard Medical School treballa en els mecanismes dels microRNA i dels ARN d’interferència, en l’anàlisi genètica de les interaccions microbiòmiques entre bacteris i animals, en el control neuroendocrí de la destoxificació, la immunitat, l’envelliment i l’astrobiologia.

Els microARN en la regulació gènica

El dogma central de la biologia molecular, tal com el formulava Francis Crick en el 1958, assumia que l'àcid desoxirribonucleic (ADN) és el portador de la informació genètica, i aquesta informació era transcrita en àcid ribonucleic (ARN), i l'ARN traduït en proteïna. Una sèrie de proteïnes, alhora, catalitzen les reaccions de replicació i reparació de l'ADN, de transcripció i de traducció. L'ADN resideix en el nucli cel·lular, com a genoma compartit per totes les cèl·lules d'un organisme. Allò que fa diferent a cada tipus cel·lular és el nivell d'expressió de cada gen. I aquesta expressió consisteix en la transcripció del gen d'ADN en un ARN missatger (ARNm) que surt del nucli i és traduït en els ribosomes en una proteïna específica. Val a dir que aquests ribosomes són complexos de proteïnes i d'ARN (ARN ribosòmic). Un tercer tipus d'ARN (ARN de transferència) s'encarregaria de transferir els aminoàcids que s'integraran a les proteïnes de nova síntesi.

Aquest esquema és essencialment vàlid però també és incomplet. No captura tota la complexitat reguladora que fa que a partir d'un mateix genoma hi hagi centenars de tipus cel·lulars, canvis al llarg del cicle vital i una plasticitat influenciable pel medi extern. L'expressió gènica es regulada per proteïnes que actuen com a factors de transcripció, és a dir com a reguladors transcripcionals, determinant el nivell de síntesi de cada ARNm. Altres proteïnes actuen en el pas següent i són reguladors post-transcripcionals.

Vol dir això que l'ARN és un mer pont entre ADN i proteïna? Ja en el 1962 Alexander Rich havia postulat que l'ARN havia estat la primera molècula biològica amb un doble rol hereditari i efector. A principi dels 1980 hom posà de manifest l'existència de ribozims (enzims d'ARN), i el coneixement sobre la maduració de l'ARN a partir de l'anomenat ARN heterogeni nuclear (ARNhn) obria noves perspectives sobre el rol de l'ARN en la regulació gènica pre- i post-transcripcional.

Els treballs d'Ambros i de Ruvkun sobre la diferenciació cel·lular en C. elegans conduïren a la descripció d'una nova classe de petits ARN, els microRNA. Avui sabem que el genoma humà conté més d'un miler de gens de microRNA.

Microfotografia d’un individu adult hermafrodia de ‘C. elegans’ obtinguda per Zeynep F. Altun per www.wormatlas.org.

A final dels 1980 Ambros i Ruvkin eren investigadors postdoctorals al laboratori de Robert Horvitz. Treballaven en C. elegans sobre la regulació de gens implicats en els programes de diferenciació cel·lular. L'adult hermafrodita té una dotació final de 959 cèl·lules després d'una sèrie de duplicacions i diferenciacions altament regulada. Els mutants lin pateixen alteracions d'aquesta regulació dels llinatges cel·lulars. Ambros i Ruvkin estudiaven els mutants lin-4 i lin-14. Ambros havia conclòs que el gen lin-4 era un regulador negatiu (o inhibidor) del gen lin-14. Ambros i Ruvkin es proposaren d’investigar el mecanisme pel qual lin-4 reprimia l’expressió del gen lin-14.

Ja instal·lat Ambros en el seu nou laboratori a Harvard, prosseguí la recerca sobre el mutant lin-4. Aconseguí la clonació del mitjançant una estratègia metòdica de mapatge gènic. Ambros descobrí llavors que el gen lin-4 no responia al patró clàssic de gen codificador de proteïna. El seu producte gènic final era un ARN de baix pes molecular, que per això va rebre la denominació de microRNA. La seqüència del microRNA era de tan sols 22 nucleòtids: AGUGUGAACUCCAGAGUCCCU. Ambros hipotesitzà que aquest microRNA era el responsable de la repressió del gen lin-14.

Paral·lelament Ruvkun continuà la recerca sobre el gen lin-14 en el seu nou laboratori format a cavall del Massachusetts General Hospital i la Harvard Medical School. La clonació de lin-4 permeté estudiar el mecanisme d’inhibició de lin-14. Inicialment pensà que el producte gènic de lin-4 seria capaç de reprimir l’expressió del gen lin-14 a través d’una reducció de la transcripció d’aquest gen, és a dir de la síntesi d’ARNm de lin-14. Però aquest no era el cas, i calia pensar que lin-4 era un modulador post-transcripcional de lin-14, és a dir que actuava en algun moment de l’etapa en la que la informació genètica va de l’ARNm a la proteïna lin-14. Ruvkun aconseguí la clonació del gen lin-14. La seqüenciació revelava l’existència d’una regió complementària a la seqüència del microRNA-lin-12. La seqüència d’aquesta regió de lin-14 era CUCACAACCAACUCAGGGA, de manera que hi havia dues zones de complementarietat, una primera de cinc nucleòtids, i una segona de set nucleòtids (Lee et al., 1993).

Rosalind C. Lee és la primera autora de la publicació de la revista Cell del 1993 en la que es comunicava que el gen heterocrònic lin-4 codifica un petit ARN amb una seqüència antisentit complementària al gen lin-14. En aquest treball explicaven la clonació del gen lin-4 per camí cromosòmic en ‘C. elegans’, i la capacitat del gen clonat de restaurar la funcionalitat de mutants lin-4. Constataven que el gen lin-4 no codifica cap proteïna, però sí trobaren dos petits transcrits de 22 i de 61 nucleòtids, els quals contenien seqüències complementàries a un element repetit en la seqüència de la regió no-traduïda 3’ de l’ARNm de lin-14.

El segment de l’ARNm de lin-14 amb complementarietat amb el microRNA de lin-4 és necessari perquè lin-4 pugui inhibir l’expressió de lin-14 a nivell posttranscripcional. Els experiments d’Ambros i Ruvkun mostraren que el microRNA lin-4 aconsegueix la repressió de l’ARNm lin-14 a través de la unió d’ambdós per les seqüències complementàries. Aquesta repressió impedeix que l’ARNm de lin-14 sigui traduït a proteïna (Whigtman et al., 1993).

Bruce Wightman és el primer autor de l’article de la revista Cell en el que s’elucidava el mecanisme de regulació posttranscripcional del gen lin-14 per lin-4. En la regió 3’ no-traduïda de l’ARNm de lin-14 hi ha seqüències complementàries al microRNA de lin-4. La formació consegüent de dúplex d’ARN interfereix en la traducció de l’ARNm-lin14, amb la consegüent caiguda en la producció de la Lin-14p.

Inicialment la regulació posttranscripcional d’un gen per un altre a través d’un microRNA fou considerada una nota al peu de pàgina del model general de la regulació transcripcional mitjançant per proteïnes d’unió a ADN. Al capdavall el gen lin-4 és relativament específic de nematodes com C. elegans. Això va començar a canviar amb la troballa de nous exemples de microRNAs. En el 2000, el grup de recerca de Ruvkun descobria el microRNA codificat pel gen let-7 (Pasquinelli et al., 2000). El gen let-7 té homòlegs en tot el regne animal. En l’actualitat hom coneix més de 1000 microRNAs codificats en el genoma humà.

Amy Pasquinelli és la primera autora de l’article de Nature en el que es comunicava la conservació de la seqüència i de l’expressió temporal de l’ARN regulador heterocrònic del gen let-7. Si el microRNA de lin-4 de 22 nucleòtids és necessari per transitar de la primera fase larval a la segona en ‘C. elegans’, el microRNA de let-7 de 21 nucleòtids ho és per passar de la darrera fase larval a l’adult. El microRNA de let-7 és present en un ample ventall d’espècies animals, com ara vertebrats, ascidis, hemicordats, mol·luscs, anèl·lids o artròpodes, però no ho és pas ni en cnidaris, ni en porífers, ni en llevats, ni en bacteris ni en plantes. El microRNA de let-7 apareix com a regulador temporal en els estadis larvals finals d’insectes, en adults de mol·luscs o en embrions de peix.

Els microRNAs regulen l’expressió gènica a través de la inhibició de la síntesi de proteïna i/o la degradació de l’ARNm. En termes generals, un microRNA sol ser capaç de regular l’expressió de nombrosos gens diferents. Alhora, un gen pot ésser regulat per tota una llista de microRNAs. Exactament com s’havia vist amb les proteïnes d’unió a ADN que fan de factors de transcripció, som davant d’una autèntica xarxa d’interacció entre gens.

Habitualment el concepte de microRNAs inclou els ARN d’interferència. L’ARNi participa en plantes com a mecanisme immunitari front virus. Aquesta interferència ha estat aprofitada com a eina biotecnològica de modulació gènica.

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2024.

- The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Cell 75: 843-854 (1993).

- Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Bruce Wightman, Ilho Ha, Gary Ruvkun. Cell 75: 855-862 (1993).

- Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Amy E. Pasquinelli, Brenda J. Reinhart, Frank Slack, Mark Q. Martindale, Mitzi I. Kuroda, Betsy Maller, David C. Hayward, Eldon E. Ball, Bernard Degnan, Peter Müller, Jürg Spring, Ashok Srinivasan, Mark Fishman, John Finnerty, Joseph Corbo, Michael Levine, Patrick Leahy, Eric Davidson, Gary Ruvkun. Nature 408: 86-89 (2000).

- Gossos de tota mida: selecció natural i artificial d’un al·lel de l’ARN llarg no-codificant IGF-AS. (29/01/2022).

- L’envelliment en vertebrats s’associa a una reducció en l’abundància d’ARN missatgers llargs (11/12/2022).

La funció de la senescència cel·lular en el dany i en la recuperació hepàtiques

Biologia cel·lular: La senescència cel·lular es defineix a partir de la presència de marcadors moleculars com p16^Ink4a. El grup de recerca de Bin Zhou, professor adjunt distingit de l’Acadèmia Xinesa de Ciències, treballa en traçabilitat de llinatge i plasticitat cel·lular, i ha aplicat la genètica interseccional per traçar i manipular tipus cel·lulars p16^Ink4a+. Ho expliquen en un article a la revista Cell, amb Huan Zhao de primer autor. Zhao et al. han generat eines genètiques in vivo en un model de ratolí al voltant de la p16^Ink4a: Sn-pTracer per traçar-la; Sn-cTracer per a eliminar cel·lules portadores; i Sn-gTracer per fer-hi manipulacions gèniques. Aquestes eines són específiques de tipus cel·lular. Així troben que les subpoblacions senescents de macròfags i de cèl·lules endotelials juguen papers diferents en un model de dany i reparació hepàtica. Així els macròfags senescents afavoreixen el dany hepatocel·lular, mentre que els endoteliòcits senescents mitiguen el dany hepàtic. Aquest rol protector dels endoteliòcits senescents es veu enfortit si se’ls fa sobreexpressar Kdr, contribuint a una reducció marcada de la fibrosi hepàtica. Zhao et al. ens mostren una vegada més que la senescència cel·lular juga un paper en la regeneració i en la malaltia, però adverteixen que les futures teràpies senolítics haurien de prendre en consideració les diferències que presenta cada tipus cel·lular.

Zhao et al. troben en un model de ratolí que l’eliminació de macròfags senescents p16^Ink4a+ pal·lia la fibrosi hepàtica. Ara bé, l’eliminació de cèl·lules endotelials senescents p16^Ink4a+ dificulta la reparació del dany hepàtic. Tot plegat indica que la senescència té rols funcionals diferents segons el tipus cel·lular.

La senescència cel·lular

En el 1961 els estudis de cultiu cel·lular in vitro fets pel grup de recerca de Leonard Hayflick establiren que hi havia un límit en el nombre de resembres d’aquests cultius. Així hom definí un ‘límit de Hayflick’, que variava proporcionalment a la longevitat de l’espècie de partida. El límit de Hayflick s’associava a la senescència cel·lular. En les darreres dècades ha crescut el coneixement sobre el rol de la senescència cel·lular en la fisiologia (desenvolupament, envelliment) i en la patologia (càncer, malalties degeneratives). La senescència cel·lular no tan sols depèn de factors endògens, sinó que es pot veure accelerada per estrès exogen.

Inicialment el límit de Hayflick s’assolia quan una població cel·lular ja no pot prosseguir el seu cicle de divisió. L’aturada del cicle cel·lular s’explica per l’expressió de proteïnes inhibidores de la cinasa dependent de ciclina (CDK) com són la p16^Ink4a o la p21^CIP1. Un altre marcador de la senescència de l’activitat beta-galactosidasa (SA-β-Gal), però també hi ha un fenotip secretori associat a la senescència (definit per quimiocines, interleucines, factors de creixement, proteases remodeladores de teixit, etc.).

Zhao et al. són del parer que la conseqüència funcional de la senescència cel·lular depèn del tipus cel·lular concret. Per seguir aquesta conseqüència funcional cal definir un marcador concret, i ells opten, com fan molts altres grups, per p16^Ink4a. Aquesta proteïna inhibeix CDK4/6, la qual cosa condueix a una dificultat en la progressió del cicle cel·lular des de la primera fase de creixement (fase G1) a la fase de replicació de l’ADN nuclear (fase S). En ratolins joves i sans la proporció de cèl·lules p16^Ink4a+ és gairebé indetectable, però n’hi ha una acumulació en teixits de ratolins vells o malalts.

Hom ha assajat procediments senolítics que actuen a través de l’eliminació selectiva de cèl·lules p16^Ink4a+. En ratolins la senolisi actua de manera generalment favorable. Ara bé, també comporta alguns aspectes negatius, ja que cèl·lules senescents participen en processos de supressió de tumors, desenvolupament embrionari, cicatrització de ferides, creixement de pèl, etc. Aquesta contradicció aparent, sostenen Zhao et al., s’explica per diferències de tipus cel·lular.

Una diversitat de tipus cel·lulars senescents

La proteïna p16^Ink4a és el producte del gen Cdkn2a. Zhao et al. han generat una nova línia reportadora a través de fluorescència que han denominat p16-tdT. Per fer-ho han inserit un casset tdTomato (tdT) després del gen endogen Cdkn2a. Així han aconseguit ratolins amb un al·lel p16-tdT.

A partir d’embrions de ratolins p16-tdT en l’estadi E-13,5, Zhao et al. obtenien fibroblasts MEFs. En subcultivar-los repetidament in vitro aquests MEFs desenvolupaven ja a partir del passatge 6 un augment de marcadors senescents (augment de SA-β-Gal i reducció de Ki67). Per immunohistoquímica i citometria de flux específica de tdT podien seguir l’augment d’aquesta senescència.

Zhao et al. seguiren en ratolins p16-tdT de diferents edats l’expressió de tdT. Observaren un augment general amb l’edat. En el cervell de ratolins vells, les cèl·lules p16^Ink4a+ són predominantment neurones del còrtex cerebel·lar. En el pàncrees de ratolins vells, les cèl·lules p16^Ink4a+ solen ésser cèl·lules endocrines dels illots de Langerhans.

Zhao et al. intentaren generar ratolins que tinguessin un al·lel nul per al gen p16^Ink4a, però sense poder marcar així les cèl·lules. Optaren alternativament per inserir un casset CreER en l’extrem 3′ del gen p16^Ink4a. Creuaren els ratolins p16-CreER resultants amb ratolins R26-tdT, i comprovaren que els ratolins p16-CreER;R26-tdT presentaven un augment de cèl·lules tdT⁺ en múltiples teixits.

Caracterització dels tipus cel·lulars p16^Ink4a+ d’un model de fibrosi hepàtica

La fibrosi hepàtica consisteix en una deposició excessiva de matriu extracel·lular, com a conseqüència de l’activació i proliferació de miofibroblasts. En ratolins hom pot induir fibrosi en la zona pericentral del fetge amb l’exposició a tetraclorur de carboni (CCl₄) durant vuit setmanes.

Zhao et al. induïren així fibrosi hepàtica en ratolins p16-tdT. Les imatges de fluorescència indicaven un augment del senyal tdT en fetges de ratolins exposats a CCl₄ en comparació amb ratolins exposats a oli.

Zhao et al. feren anàlisis immunohistològics dels fetges afectats amb marcadors específics de tipus cel·lular, com HNF4α (hepatòcits), PDGFRα (fibroblasts), PDGFRβ (perícits), F4/80 (macròfags), CDH5 (endoteliòcits). El senyal tdT s’associava amb subpoblacions de fibroblasts, endoteliòcits i macròfags, però amb prou feines ho feia amb hepatòcits. Les anàlisis de citometria de flux indicaven expressió de tdT en el 14,41% ± 1,63% dels macròfags CD45⁺CD11b⁺F4/80⁺ i en el 13,76% ± 1,38% dels endoteliòcits CD45⁻CD31⁺. Això era confirmat amb la seqüenciació d’ARN (scRNA-seq) de cèl·lules no-parenquimals.

Zhao et al. aïllaren macròfags i endoteliòcits p16^Ink4a+ per fer-hi un perfil d’expressió gènica. El perfil era propi de cèl·lules senescents.

En una altra sèrie d’experiments, ratolins p16-tdT eren sotmesos a una alimentació deficient en colina. Això condueix a una esteatohepatitis no-alcohòlica. El fetge d’aquests ratolins mostrava una gran proporció de cèl·lules tdT⁺, particularment macròfags i endoteliòcits. L’anàlisi scRNA-seq confirmava el caràcter senescent d’aquestes cèl·lules.

La traçabilitat genètica de cèl·lules p16^Ink4a+ en el dany i en la reparació hepàtiques

El sistema Sn-pTracer permet Zhao et al. de seguir el destí cel·lular. Aquest sistema funciona amb un pols de tamoxifen (a través de la casset Cre). Creuaren doncs línies cel·lulars amb ratolins amb construccions p16-CreER i R26-RL-tdT, obtenint ratolins F4/80-Dre;p16-CreER;R26-RL-tdT i Cdh5-DreER;p16-CreER;R26-RL-tdT. En aquests ratolins el tractament amb tamoxifen promou l’expressió de tdT o bé en macròfags (F4/80-Dre;p16-CreER;R26-RL-tdT) o en endoteliòcits (Cdh5-DreER;p16-CreER;R26-RL-tdT).

Ratolins SnMø-pTracer eren tractats amb tamoxifen i CCl₄. D’aquesta manera hom podia tenir un marcatge específic dels macròfags senescents durant el dany hepàtic. Vora un 9% dels macròfags eren senescents. Després de les vuit setmanes d’administració de CCl₄ segueix un procés de recuperació hepàtica, en el decurs del qual desapareixen aquests macròfags senescents, fonamentalment per apoptosi.

Ratolins SnEC-pTracer foren tractats amb tamoxifen i CCl₄. El dany hepàtic comportava un augment dels endoteliòcits senescents, que arribaven al 10%. En la recuperació hepàtica ulterior aquesta proporció es mantenia, però els marcadors de senescència d’aquesta subpoblació es veien reduïts.

L’ablació genètica de macròfags p16^Ink4a+ millora la fibrosi hepàtica

Zhao et al. desenvoluparen un sistema Sn-cTracer, amb el qual registraven les cèl·lules p16^Ink4a+ sense dependre d’una administració continuada de tamoxifen. Així generaren una línia de ratolins p16-LSL-Dre, que creuaren amb ratolins R26-iCre i R26-RSR-tdT. Resultaren uns ratolins Cd68-Cre;p16-LSL-Dre;R26-RL-tdT-DTR. En aquest model l’administració de toxina diftèrica condueix a l’ablació de macròfags senescents. L’ablació d’aquests macròfags protegeix front la fibrosi induïda per CCl₄.

Els endoteliòcits p16^Ink4a+ participen en la reparació hepàtica

En ratolins Cdh5-CreER;p16-LSL-Dre;R26-RL-tdT-DTR, els endoteliòcits senescents persisteixen durant el procés de recuperació hepàtica posterior a l’administració de CCl₄. L’administració de toxina diftèria en aquest model condueix a l’ablació específica d’endoteliòcits senescents: el resultat és una major persistència de la fibrosi durant el període de recuperació.

En altres experiments Zhao et al. comproven com la promoció de l’expressió de Kdr reforça el rol reparador dels endoteliòcits senescents en la recuperació hepàtica. Kdr és un receptor de la via de senyalització de VEGF, rellevant en l’angiogènesi.

Senòlisis més específiques

Zhao et al. consideren que aquests resultats indiquen la importància de fer una recerca específica de tipus cel·lular quan hom s’adreça a la senescència cel·lular o a estratègies senolítiques.

Des d’un punt de mira tecnològic, Zhao et al. ens ofereixen fins a quatre sistemes d’estratègies genètiques per a l’estudi de cèl·lules p16^Ink4a+.

Lligams:

- Identifying specific functional roles for senescence across cell types. Huan Zhao, Zixin Liu, Hui Chen, Maoying Han, Mingjun Zhang, Kuo Liu, Hengwei Jin, Xiuxiu Liu, Mengyang Shi, Wenjuan Pu, Markus Werner, Michael Meister, Stefan G. Kauschke, Ruilin Sun, Jinjin Wang, Ruling Shen, Qing-Dong Wang, Xin Ma, Jan S. Tchorz, Bin Zhou. Cell (2024)

- Genòmica del rejoveniment de l’hidrozou ‘Turritopsis dohrnii’ (30/08/2022)