Entrevista a José Antonio Gavira, investigador científico del CSIC en el Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT) y jefe del Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC)
La cristalización de proteínas ocupa un lugar central en el desarrollo de nuevos medicamentos, al permitir obtener estructuras moleculares de alta resolución y comprender con mayor precisión cómo interactúan los fármacos con sus dianas biológicas. En esta entrevista, José Antonio Gavira —investigador del CSIC y referente internacional en cristalografía— explica por qué la calidad de un cristal puede condicionar el avance de un medicamento, qué aporta la microgravedad a estos procesos y cómo la investigación espacial está empezando a generar aplicaciones de interés para la industria farmacéutica. Su laboratorio ha sido pionero en el desarrollo de técnicas de cristalización por contradifusión utilizadas en experimentos de microgravedad por agencias como la ESA, la NASA o la JAXA. Gavira aborda también el papel de estas investigaciones en proyectos internacionales y las colaboraciones con compañías farmacéuticas, y nos ilustra sobre los límites reales de la fabricación de fármacos en órbita.
En el desarrollo de fármacos, especialmente en el ámbito de proteínas terapéuticas y dianas biológicas, se considera esencial conocer la estructura tridimensional de las moléculas para comprender su función, sus interacciones y su potencial optimización; desde su experiencia, ¿qué papel juega esta información estructural en el proceso farmacéutico y hasta qué punto condiciona el avance de un medicamento?
Este es un punto clave. Cualquier principio activo, cualquier fármaco, actúa o ejerce su función a través de las interacciones con el receptor, la proteína diana. Estas interacciones son contactos a nivel atómico en lo que llamamos el sitio de unión del fármaco en la proteína. Pues bien, cuanto mejor conozcamos el sitio de unión, mejor podremos diseñar un fármaco que encaje con la mayor precisión, con más fuerza o lo que es lo mismo con un mayor número de contactos, de interacciones. Por tanto, un conocimiento más preciso o con mayor nivel de detalle (lo que nosotros denominamos una mejor resolución) de la estructura del receptor del fármaco es esencial y, por tanto, condiciona su desarrollo.
“A día de hoy, solo las estructuras determinadas a partir de datos de difracción de los cristales de proteína nos dan ‘resoluciones’ suficientemente buenas para establecer conclusiones claras”
“Su versatilidad y facilidad de implementación han hecho que la CDD -contradifusión en capilares- sea una de las técnicas más empleadas en experimentos de cristalización en el espacio, en condiciones de microgravedad, por las agencias europea (ESA), americana (NASA) y nipona (JAXA)”
Para poder obtener esa información estructural es necesario transformar sistemas biológicos complejos en cristales analizables, un proceso que sitúa a la cristalografía —disciplina fundamental, pero a menudo poco visible— en un punto clave de la investigación; en la práctica experimental, ¿en qué consiste la cristalización de proteínas, por qué resulta tan difícil y cómo influyen en ella factores físicos como la convección o la sedimentación? ¿Y cuál es el papel de la microscopía electrónica en este objetivo?
A nivel experimental la microscopía electrónica (ME), que no requiere de un cristal, está cobrando relevancia y cada año son más los modelos de estructuras de proteínas que se determinan empleando ME y que se depositan en el Banco de Datos de Proteínas (PDB), donde quedan accesibles a todo el mundo. Pero, a día de hoy, solo las estructuras determinadas a partir de datos de difracción de los cristales de proteína nos dan ‘resoluciones’ suficientemente buenas para establecer conclusiones claras. Podríamos decir que mientras la EM nos puede ofrecer una visión global, el detalle de la foto sigue siendo borroso mientras que la cristalografía es capaz de darnos una foto mucho más nítida global y localmente.
Existe una relación directa entre la calidad del cristal de proteína y la resolución a la que difracta los rayos X (cuán nítidos son los detalles de la foto). Un cristal no es otra cosa que un sólido ordenado en las tres dimensiones del espacio. A mayor orden, mejor calidad del cristal y mejor resolución, mejores datos. Si hay desorden en el cristal, debido a la incorporación de impurezas o a un crecimiento demasiado rápido, la calidad se ve comprometida, la foto sale borrosa. La convección representa un flujo rápido y caótico de las moléculas que van a formar el cristal, frente a la difusión donde las moléculas, las proteínas, se mueven lentamente. Aunque es una gran simplificación del problema, esta idea nos ayudará a entender que un cristal que crezca en un medio sin convección lo hará más lentamente, con menos defectos y, por tanto, será de mejor calidad. Pero esta es solo la parte física del problema, lo que mejor sabemos resolver. Sin embargo, la mayor dificultad radica en encontrar las condiciones químicas adecuadas para obtener un cristal, para forzar a las moléculas (las proteínas) que están en solución a unirse unas a otras de forma ordenada para formar el cristal.
Desafortunadamente para esta etapa aún no tenemos una solución global. Para cada proteína necesitamos recorrer un camino de búsqueda de las condiciones químicas favorables que induzcan la formación del cristal. Eso sí, una vez encontradas, ya nos podemos dedicar a refinar tanto la química como la física (convección, sedimentación, etc.) para mejorar los cristales.
En este sentido, nuestro departamento es internacionalmente conocido por haber desarrollado las técnicas de contradifusión para la cristalización de proteínas de la mano del fundador del Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC), el profesor Juan Manuel García-Ruiz, que actualmente es profesor Ikerbasque en el DIPC (Donostia International Physics Center). La contradifusión en capilares (CDD), técnica sobre la que realicé mi tesis de doctorado, permite barrer un gran número de condiciones (químicas) en un medio en el que se minimiza la convección. Su versatilidad y facilidad de implementación han hecho que la CDD sea una de las técnicas más empleadas en experimentos de cristalización en el espacio, en condiciones de microgravedad, por las agencias europea (ESA), americana (NASA) y nipona (JAXA).
Proteína unida a un ligando, ejemplo de fármaco unido al sitio de unión.
¿Qué tipo de colaboración mantiene el Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC), integrado en el Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (CSIC-UGR), con la industria farmacéutica? ¿Trabajan habitualmente con empresas farmacéuticas o biotecnológicas en proyectos de cristalización de proteínas? ¿Podría describir algún ejemplo de colaboración concreta con la industria en este ámbito? ¿Qué demandan actualmente las empresas farmacéuticas a grupos como el suyo?
Actualmente nuestro departamento participa en el proyecto europeo PROCRYSTAL, ‘Crystallisation towards efficient and sustainable biomanufacturing’ (HORIZON-MSCA-2023-DN-01), que tiene como objetivo principal promover la cristalización como una alternativa sostenible, eficiente y escalable a los procesos actuales de producción y formulación líquida de fármacos proteicos/peptídicos. En este proyecto participan 7 instituciones y dos compañías, de 8 países distintos y con otros 9 miembros asociados. De las seis compañías que participan, dos son farmacéuticas, Janssen como socio y la francesa Sanofi-Aventis como asociada. PROCRYSTAL es un programa de formación multidisciplinar e intersectorial encargado de formar a la próxima generación de ingenieros y científicos altamente cualificados para la aplicación de la cristalización hacia una bio-manufactura eficiente y sostenible.
En general, la industria farmacéutica posee potentes departamentos de investigación y desarrollo encargados de buscar las dianas terapéuticas, típicamente una proteína, asociadas a una determinada enfermedad. Son procesos largos y costosos con tres fases de desarrollo que se extienden durante años. En ocasiones, la diana biológica de interés farmacéutico puede ser el tema de estudio de un determinado grupo de investigación, lo que les permite establecer una colaboración público/privada. Esta forma de interacción, muy extendida en países como EE.UU., Reino Unido, Alemania, Francia, etc., es hoy poco frecuente en nuestro país, aunque vamos avanzando. En este sentido, la industria suele buscar más bien la optimización de procesos en los que la cristalización juegue un papel relevante. Ocasionalmente se interesan en estudios estructurales concretos, por ejemplo, cuando un grupo de investigación logra controlar la obtención de cristales de una proteína diana asegurando el acceso a los modelos estructurales.
Nuestro departamento, LEC, ha mantenido a lo largo de su historia distintas colaboraciones puntuales con la industria farmacéutica, como PharmaMar, y ha patentado productos como una insulina cristalina con mayor estabilidad y vida media, que dio lugar a la spin-off Crystagel en colaboración con la Universidad de Granada, o la patente de un hidroxiapatito dopado con flúor, en colaboración con el Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, comercializada como la pasta de dientes BioSmalto.
Su grupo ha colaborado con agencias espaciales en experimentos de cristalización en microgravedad; ¿en qué consisten exactamente estos experimentos —tanto en laboratorio terrestre como en plataformas espaciales— y qué tipo de mejoras permiten obtener en los cristales? Desde el punto de vista biomédico y farmacéutico, ¿qué interés tienen estas investigaciones, y hasta qué punto pueden traducirse en avances concretos, como mejoras en la formulación o en la forma de administración de determinados fármacos?
Sí, efectivamente nuestro departamento, de la mano del profesor García-Ruiz, ha impulsado el uso de las técnicas contradifusivas en experimentos llevados a cabo en condiciones de microgravedad, ya fuesen en el transbordador americano (Shuttle), en la Estación Espacial Internacional (ISS) o en las cápsulas rusas Soyuz (tripulada) o la Progress (de carga), en las que he participado a lo largo de los últimos 20 años. En el departamento desarrollamos y usamos en varias misiones los reactores de cristalización que bautizamos como la Granada Crystallization Box (GCB) alojados en la Granada Crystallization Facility (GCF). La característica fundamental de estos reactores es que no requerían intervención humana en el espacio y que permitían una alta densidad de experimentos (más de 300) en un volumen de poco más de 1,3 L y 5 Kgr de peso final, de la versión GCF-2. Tras su preparación en tierra, normalmente en el lugar de lanzamiento, el experimento comenzaba en ese mismo momento, pero con una secuencia temporal ajustada para que los eventos de nucleación y crecimiento de los cristales ocurrieran al alcanzar la órbita adecuada en condiciones de microgravedad. En estos años de experimentación espacial se ha acumulado una gran cantidad de conocimiento fundamental, que nos ha permitido, por ejemplo, entender cómo funciona la técnica de contradifusión y, en el ámbito de la aplicación, se ha demostrado que medios sin convección permiten mejorar la calidad de los cristales y, en algunos casos, controlar su tamaño. Algo que, a día de hoy, podemos emular en tierra empleando capilares, geles o campos externos (eléctricos y/o magnéticos).
Cristales crecidos en capilares por el método CDD.
En un momento en el que agencias espaciales y actores industriales están impulsando la investigación en microgravedad con expectativas relevantes en biomedicina, ¿qué papel cree que puede desempeñar este campo en los próximos años y hasta qué punto considera que existe una percepción sobredimensionada sobre su impacto en la fabricación de fármacos en órbita?
Bueno, es difícil contestar de forma concreta y clara a esta pregunta, ya que son muchas las agencias espaciales que desarrollan programas de investigación paralelos con objetivos muy diversos. Este tipo de información se recoge en publicaciones especializadas como el último libro blanco de la ESA SciSpacE 2021 (ROADMAP: Soft Matter and Biophysics) o, más recientemente, la revisión titulada ‘Roadmap on Materials Development and Utilization in Space’ (Hoja de ruta para el desarrollo y la utilización de materiales en el espacio) en Journal of Physics: Materials, ya en producción, en el que contribuimos con el capítulo ‘Protein crystallization in Space’ en el que se recoge lo que estamos diciendo de forma resumida en esta entrevista. La microgravedad es sobre todo una herramienta excepcional para estudiar procesos fundamentales que en la Tierra están ocultos por la gravedad, más que una solución inmediata para fabricar fármacos. El beneficio real es más bien indirecto, como la mejora de procesos y tecnologías farmacéuticas a partir del conocimiento adquirido en condiciones de microgravedad. Por ejemplo, el último trabajo que ha publicado la compañía Merck sobre sus experimentos en la ISS con el anticuerpo monoclonal (mAb) Pembrolizumab durante una misión de SpaceX muestra que en condiciones de microgravedad se obtienen cristales más uniformes y en mayor cantidad, mientras que en la Tierra se formaban cristales muy heterogéneos. En el espacio se generaban suspensiones de cristales menos viscosas y más homogéneas. Estos resultados se han trasladado en tierra al empleo de mezcladores rotatorios con control de temperatura, llegando a suspensiones cristalinas uniformes (1–5 μm) con propiedades adecuadas para formulaciones inyectables.
Sí que parece evidente que se está dando un cambio de tendencia, la obtención de mejores cristales para la determinación estructural ya no es el objetivo prioritario. Sin embargo, la posibilidad de desacoplar variables que en la Tierra están acopladas por la gravedad es fundamental para estudiar mezclas de líquidos, suspensiones o soluciones complejas que, además de ser relevantes en otros campos de estudio, también lo son en la industria farmacéutica y en la cristalización de proteínas.
Las nuevas misiones como Artemis incorporan tecnologías para monitorizar la respuesta biológica de los astronautas en microgravedad. ¿Qué valor tienen estos sistemas como plataforma experimental y qué conocimiento pueden aportar a la investigación biomédica en Tierra?
En mi opinión, los astronautas son en sí mismos una fuente de datos tremenda y supongo que así es como se ven desde un punto de vista biomédico. Para cada misión, la tripulación es sometida a un seguimiento continuo antes, durante y después de la misión, lo que genera una gran cantidad de datos. En microgravedad desaparecen factores como la carga mecánica o la sedimentación celular, lo que permite identificar mecanismos biológicos que en la Tierra están enmascarados o mezclados con otros estímulos. Parece que muchos de los cambios observados en los astronautas, como la pérdida de masa ósea y muscular, alteraciones del sistema cardiovascular o del metabolismo, reproducen de forma acelerada procesos asociados al envejecimiento o a enfermedades crónicas. Entender sus bases físicas y biológicas en microgravedad puede ayudar a identificar nuevas dianas terapéuticas, estrategias de prevención o modelos más precisos de ciertas patologías.
