La prestigiosa revista científica PNAS en su edición del mes de diciembre 2020 (https://doi.org/10.1073/pnas.2015960117) publica la larga trayectoria (40 años) de un eminente científico venezolano, que hasta hace poco era personal activo del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC). Estamos hablando del Doctor Raúl Padrón, cuyo resumen de su currículo es el siguiente: Durante las últimas cuatro décadas, el biólogo estructural Raúl Padrón ha dilucidado la contracción muscular a nivel molecular y atómico utilizando un sistema modelo que él y su colega Roger Craig desarrollaron: el músculo esquelético de la tarántula. La investigación de Padrón sobre cómo se relajan y activan los filamentos gruesos del músculo esquelético está ayudando a informar la patogénesis molecular de las enfermedades musculares humanas. Por tales avances, Padrón fue elegido como miembro internacional de la Academia Nacional de Ciencias (NAS) en 2018; más tarde, emigró a los Estados Unidos debido a la actual crisis política de su natal Venezuela. Ahora profesor de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, Padrón responde preguntas de larga data en su artículo inaugural ( 1) sobre la contracción del músculo estriado que arroja luz sobre sus mecanismos subyacentes en invertebrados y vertebrados.
Debido a que la reseña en detalles que consideramos importante que sean conocido, a continuación expone textualmente algunos párrafos de su contenido.
Laboratorio en casa a los 11 años
Padrón nació en Caracas de madre concertista y padre farmacólogo y microbiólogo. A través de su madre, adquirió una sólida ética de trabajo. También estuvo muy influenciado por su padre, que mantenía un laboratorio en casa. “Todavía recuerdo mi sorpresa cuando me mostró paramecia nadando bajo un microscopio”, dice Padrón. «Pronto, comencé a cultivar levadura en sopa de pollo para verlas con lupa».
Cuando tenía 11 años, a Padrón se le permitió tener un laboratorio separado, donde hizo experimentos de química y biología y construyó equipos electrónicos. Asistió a la escuela secundaria San Ignacio en Caracas, donde el matemático Ángel Urmeneta y el biólogo Raphael Bredy reforzaron sus intereses académicos. En 1966, Bredy sugirió que Padrón visitara el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC). Durante la visita, conoció al bioquímico Karl Gaede, a cuyo laboratorio se incorporó a los 16 años. Padrón dice: “Bajo el consejo de Gaede, decidí estudiar ingeniería eléctrica en la Universidad Central de Venezuela, ya que pensó que esto proporcionaría una buena base para un carrera en biología «.
Al obtener su licenciatura en 1973 con el electrofisiólogo Carlo Caputo, Padrón estudió con el biólogo molecular Leonardo Mateu en el IVIC una maestría en biología y un doctorado en fisiología y biofísica, que obtuvo en 1979. Su tesis doctoral fue un estudio de la estructura. y función de la vaina de mielina de los nervios ciáticos de sapo y rana y cómo los nervios responden a los anestésicos ( 2 ).
Sistema de modelo de tarántula
En 1980 Padrón inició una beca postdoctoral en el Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica (LMB) en Cambridge, Reino Unido. Se interesó cada vez más en el trabajo del biólogo estructural Hugh Huxley, un destacado investigador de fisiología muscular que se convirtió en su asesor. Padrón propuso estudiar las fibras musculares del percebe gigante para conocer su activación por el calcio. La obtención de los animales resultó ser un desafío, por lo que Huxley sugirió que Padrón en su lugar analizara el efecto del análogo de ATP AMPPNP en la estructura muscular. Padrón examinó cómo este compuesto puede detener el ciclo cruzado de contracción muscular ( 3). El ciclo, previamente identificado por Huxley, consta de cuatro etapas básicas que incluyen la unión temporal de la proteína de filamento grueso miosina con la proteína de filamento delgado actina para producir fuerza.
En la LMB Padrón compartió despacho con el también biólogo postdoctoral Craig. El dúo inició un proyecto conjunto para determinar la estructura de los filamentos gruesos del músculo estriado. El biofísico John Wray, que había estado obteniendo patrones de difracción de rayos X de los músculos de los invertebrados, les dijo que tales filamentos en el músculo de la tarántula estaban ordenados helicoidalmente y que debían verlos usando un microscopio electrónico. Siguieron su guía y, en colaboración con su colega Anthony Crowther, lograron producir la primera reconstrucción 3D de filamentos gruesos de tarántula teñidos negativamente ( 4 ). El logro, relatado en un libro editado por Huxley ( 5 ), ayudó a visualizar las dos cabezas de una molécula de miosina en su filamento grueso nativo en condiciones de estado relajado.
Animales depredadores con motivos
Al analizar la estructura muscular del parásito Schistosoma mansoni , Craig, Padrón y su equipo observaron un IHM idéntico al identificado en los filamentos de miosina de tarántula ( 10 ). Se sorprendieron de que, a pesar de que la araña y el parásito están evolutivamente separados, el IHM y muchas otras características de las estructuras musculares de estos organismos son similares. La erudita postdoctoral de Craig, Maria Zoghbi (exalumna de Padrón), también mostró que el IHM estaba presente en el músculo cardíaco de los mamíferos, ampliando la importancia de su hallazgo en las tarántulas ( 11 ).
Para determinar cuándo surgió el motivo, Craig, Padrón y sus colegas estudiaron la estructura de las moléculas de miosina de las anémonas de mar, que son los animales más primitivos con músculos; esponjas, que se cree que son los más primitivos de todos los animales que carecen de músculo; y organismos unicelulares ( 12 ). Identificaron el IHM, con ligeras modificaciones, en todas las especies estudiadas y en algunos organismos unicelulares. Padrón dice: «Esta notable conservación destaca la importancia fundamental del IHM como la base estructural que subyace a la relajación a través de la inhibición de las cabezas, y es probable que sea la base de un mecanismo crítico de ahorro de energía en las células».
Mutaciones asociadas a enfermedades e IHM
En colaboración con los profesores de la Universidad de Harvard Christine y Jonathan Seidman, quienes estudian los mecanismos genéticos de las enfermedades cardíacas, Padrón y sus colegas analizaron un modelo de miosina cardíaca humana ( 13 ). Descubrieron que las mutaciones asociadas con la miocardiopatía hipertrófica hereditaria, que es una afección que causa un grosor anormal del músculo cardíaco y disfunción cardíaca, se agrupan en el IHM cardíaco humano en sitios de interacción intramolecular. El hallazgo condujo a conocimientos críticos sobre la base mecanicista de la hipercontractilidad, la reducción de la relajación diastólica y el aumento del consumo de energía asociados con la enfermedad.
Esta y otras investigaciones realizadas por el equipo de Padrón y otros laboratorios se están aplicando al desarrollo de terapias para las miocardiopatías. Los Seidmans y el bioquímico James Spudich, por ejemplo, son cofundadores de la empresa de biotecnología con sede en California MyoKardia, que actualmente está llevando a cabo estudios clínicos en etapa tardía de mavacamten, una terapia en investigación que se está desarrollando para el tratamiento de formas obstructivas y no obstructivas de miocardiopatía hipertrófica.
Desafíos que plantea la crisis de Venezuela
Numerosos factores llevaron al colapso de la economía de Venezuela, a partir de 2010. Padrón dice: “Después de que mi última subvención del HHMI terminó en 2011, mantener mi [laboratorio] en funcionamiento en Venezuela se convirtió en una tarea extremadamente difícil a medida que continuaba la crisis de Venezuela”. Padrón y su dedicado equipo aún lograron escribir un par de artículos seminales «Lecciones de una tarántula», revisando su investigación sobre el filamento grueso del músculo y la estructura, función e implicaciones de IHM para la enfermedad ( 14 , 15 ).
Sin embargo, a medida que empeoraba la crisis socioeconómica y política, se estima que 5 millones de personas abandonaron el país. Padrón y su esposa, también científica del IVIC, se preocuparon cada vez más. (Sus cuatro hijos adultos ya habían abandonado el país). Él dice: «Mi elección como miembro internacional de la NAS en mayo de 2018 abrió una luz al final del túnel». Al mes siguiente, Craig invitó a su antiguo colega a unirse a su laboratorio en la Universidad de Massachusetts. Padrón dice: «Fue un esfuerzo de rescate que acepté». Él y su esposa emigraron a Estados Unidos en noviembre de ese año. Un puñado de asociados mantiene actualmente el laboratorio IVIC de Padrón.
Explicación estructural
El artículo inaugural de Padrón ( 1 ) representa un esfuerzo internacional que involucra a investigadores de su laboratorio IVIC, Craig, y otros colegas en los Estados Unidos, así como a científicos del Instituto de Mecánica de la Universidad Estatal de Moscú. Cuando se inició el proyecto en abril de 2018, el objetivo de Padrón era responder a dos preguntas clave: ¿Cómo se “encienden” las cabezas de miosina para permitir su unión a la actina? ¿Y cómo, después del tétanos, un músculo produce una fuerza de contracción más fuerte que la fuerza de contracción producida antes del tétanos? Este último fenómeno, descubierto en 1865 por el fisiólogo alemán Jonathan Ranke, se denomina potenciación posttetánica.
El mecanismo de CPA propuesto previamente por Padrón ayudó a explicar la potenciación postetánica, pero carecía de evidencia estructural directa. Para obtenerlo, Craig, Padrón y miembros de sus equipos viajaron al Argonne National Laboratory Advanced Photon Source, con sede en Illinois, y colaboraron con los expertos en difracción de rayos X de músculos Thomas Irving y Weikang Ma. Él dice: “Pudimos colocar una tarántula viva completa en un soporte y aplicar rayos X de alta intensidad a una pierna. Inducimos contracciones musculares registrando patrones de difracción de rayos X cada pocos milisegundos «.
El análisis de los patrones de difracción de rayos X resueltos en el tiempo resultantes y los datos relacionados determinaron que el IHM está presente en el músculo de la tarántula viva y que el mecanismo de CPA explica la disposición de ambas cabezas de miosina durante los estados tetánico y post-tetánico. Los investigadores observaron que, después de un tétanos, las cabezas de miosina liberadas se recuperan lentamente hacia el estado de reposo ordenado helicoidalmente. Durante este tiempo, permanecen cerca de la actina y pueden volver a unirse rápidamente. Padrón dice: “Esto aumenta la fuerza producida por las contracciones posttetánicas, explicando estructuralmente la potenciación posttetánica que fue descubierta por Ranke hace 155 años”.
Craig, Padrón y sus colegas continúan estudiando la estructura, función y evolución de los filamentos gruesos del músculo, y sus implicaciones para las enfermedades musculares humanas. Ahora se están centrando en descubrir, mediante microscopía crioelectrónica de una sola partícula, la estructura casi atómica del IHM en moléculas de miosina aisladas y filamentos gruesos. Shixin Yang y Prince Tiwari en el laboratorio de Craig, junto con Craig y Padrón, han obtenido recientemente nuevos y emocionantes conocimientos sobre el IHM, con una reconstrucción con microscopía crioelectrónica de resolución de 4,3 Å ( 16 ). La estructura revela numerosos conocimientos nuevos sobre la estructura de la miosina y su mecanismo de inhibición, a nivel casi atómico.
A pesar de los retos personales a los que aún se enfrenta Padrón, tras haber dejado atrás su tierra natal, no se imagina ralentizar su agenda. Como él dice, «La biología estructural es una historia interminable».
Referencias
- ↵Padrón y col., El motivo de cabezas interactuantes de miosina presente en el músculo de la tarántula viva explica los mecanismos de fosforilación tetánica y postetánica . Proc. Natl. Acad. Sci. EE.UU. 117 , 11.865 – 11874 ( 2020 ).
- ↵Padrón , L. Mateu., Estructura in vivo de las membranas de mielina del nervio ciático de rana: un estudio de difracción de rayos X con una resolución de 13A . J. Neurosci. Res. 6 , 251 – 260 ( 1981 ).
- ↵Padrón, HE Huxley. El efecto del análogo de ATP AMPPNP sobre la estructura de puentes cruzados en músculos esqueléticos de vertebrados: difracción de rayos X y estudios mecánicos . J. Muscle Res. Cell Motil. 5 , 613 – 655 ( 1984 ).
- RA Crowther, R. Padrón, R. Craig. Disposición de las cabezas de miosina en filamentos gruesos relajados del músculo de la tarántula . J. Mol. Biol. 184 , 429 – 439 ( 1985 ).
- ↵Padrón. “Dos años y medio en la LMB que imprimieron mi carrera científica (1980–83)” en Memorias y consecuencias: científicos visitantes en el Laboratorio de Biología Molecular del MRC , HE Huxley, Ed. (Laboratorio de Biología Molecular del MRC, Cambridge, 2013) Capítulo 38, págs. 315–322 .
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