¿Qué es la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de las proteínas?
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas (normalmente abreviada RMN de proteínas) es un campo de la biología estructural en el que se utiliza la espectroscopia de RMN para obtener información sobre la estructura y la dinámica de las proteínas, y también de los ácidos nucleicos, y sus complejos. Este campo fue iniciado por Richard R. Ernst y Kurt Wüthrich en la ETH, y por Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn en los NIH, y Gerhard Wagner en la Universidad de Harvard, entre otros. La determinación de la estructura mediante espectroscopia de RMN suele constar de varias fases, cada una de las cuales utiliza un conjunto independiente de técnicas altamente especializadas. Se prepara la muestra, se realizan mediciones, se aplican enfoques interpretativos y se calcula y valida una estructura.

En la RMN intervienen las propiedades mecánico-cuánticas del núcleo central ("núcleo") del átomo. Estas propiedades dependen del entorno molecular local, y su medición proporciona un mapa de cómo están unidos químicamente los átomos, lo cerca que están en el espacio y lo rápido que se mueven unos respecto a otros. Estas propiedades son fundamentalmente las mismas que se utilizan en la más familiar resonancia magnética (RM), pero las aplicaciones moleculares utilizan un enfoque algo distinto, adecuado al cambio de escala de milímetros (de interés para los radiólogos) a nanómetros (los átomos enlazados suelen estar separados por una fracción de nanómetro), un factor de un millón. Este cambio de escala requiere una sensibilidad de detección mucho mayor y estabilidad para la medición a largo plazo. A diferencia de la IRM, los estudios de biología estructural no generan directamente una imagen, sino que se basan en complejos cálculos informáticos para generar modelos moleculares tridimensionales.

Actualmente, la mayoría de las muestras se examinan en una solución en agua, pero se están desarrollando métodos para trabajar también con muestras sólidas. La recogida de datos se basa en colocar la muestra dentro de un potente imán, enviar señales de radiofrecuencia a través de la muestra y medir la absorción de dichas señales. Dependiendo del entorno de los átomos dentro de la proteína, los núcleos de los átomos individuales absorberán diferentes frecuencias de señales de radio. Además, las señales de absorción de los distintos núcleos pueden verse perturbadas por los núcleos adyacentes. Esta información puede utilizarse para determinar la distancia entre núcleos. Estas distancias, a su vez, pueden utilizarse para determinar la estructura global de la proteína.

Un estudio típico podría consistir en determinar cómo interactúan entre sí dos proteínas, posiblemente con vistas a desarrollar pequeñas moléculas que puedan utilizarse para sondear la biología normal de la interacción ("biología química") o para proporcionar posibles pistas de uso farmacéutico (desarrollo de fármacos). Con frecuencia, el par de proteínas que interactúan puede haber sido identificado por estudios de genética humana, indicando que la interacción puede verse alterada por mutaciones desfavorables, o pueden desempeñar un papel clave en la biología normal de un organismo "modelo" como la mosca de la fruta, la levadura, el gusano C. elegans o los ratones. Para preparar una muestra, se suelen utilizar métodos de biología molecular para fabricar cantidades mediante fermentación bacteriana. Esto también permite cambiar la composición isotópica de la molécula, lo que es deseable porque los isótopos se comportan de forma diferente y proporcionan métodos para identificar señales de RMN superpuestas.
What is the nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins?
Nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins (usually abbreviated protein NMR) is a field of structural biology in which NMR spectroscopy is used to obtain information about the structure and dynamics of proteins, and also nucleic acids, and their complexes. The field was pioneered by Richard R. Ernst and Kurt Wüthrich at the ETH,[1] and by Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn at the NIH,[2] and Gerhard Wagner at Harvard University, among others. Structure determination by NMR spectroscopy usually consists of several phases, each using a separate set of highly specialized techniques. The sample is prepared, measurements are made, interpretive approaches are applied, and a structure is calculated and validated.

NMR involves the quantum-mechanical properties of the central core ("nucleus") of the atom. These properties depend on the local molecular environment, and their measurement provides a map of how the atoms are linked chemically, how close they are in space, and how rapidly they move with respect to each other. These properties are fundamentally the same as those used in the more familiar magnetic resonance imaging (MRI), but the molecular applications use a somewhat different approach, appropriate to the change of scale from millimeters (of interest to radiologists) to nanometers (bonded atoms are typically a fraction of a nanometer apart), a factor of a million. This change of scale requires much higher sensitivity of detection and stability for long term measurement. In contrast to MRI, structural biology studies do not directly generate an image, but rely on complex computer calculations to generate three-dimensional molecular models.

Currently most samples are examined in a solution in water, but methods are being developed to also work with solid samples. Data collection relies on placing the sample inside a powerful magnet, sending radio frequency signals through the sample, and measuring the absorption of those signals. Depending on the environment of atoms within the protein, the nuclei of individual atoms will absorb different frequencies of radio signals. Furthermore, the absorption signals of different nuclei may be perturbed by adjacent nuclei. This information can be used to determine the distance between nuclei. These distances in turn can be used to determine the overall structure of the protein.

A typical study might involve how two proteins interact with each other, possibly with a view to developing small molecules that can be used to probe the normal biology of the interaction ("chemical biology") or to provide possible leads for pharmaceutical use (drug development). Frequently, the interacting pair of proteins may have been identified by studies of human genetics, indicating the interaction can be disrupted by unfavorable mutations, or they may play a key role in the normal biology of a "model" organism like the fruit fly, yeast, the worm C. elegans, or mice. To prepare a sample, methods of molecular biology are typically used to make quantities by bacterial fermentation. This also permits changing the isotopic composition of the molecule, which is desirable because the isotopes behave differently and provide methods for identifying overlapping NMR signals.