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DOSSIER - EL PROYECTO POLÍTICO PARA LA CIENCIA

La metabolómica: un déjà vu por la historia de la bioquímica

Óscar Yanes

Este monográfico se centra en ofrecer un dossier de artículos que permitan entender mejor qué es la metabolómica, cuáles son sus principales aplicaciones y cómo determinados desarrollos experimentales y computacionales podrían permitir en un futuro próximo entender el metabolismo de forma global e integrado.

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a última década nos ha dejado un renacimiento por el estudio del metabolismo, y el mejor ejemplo es probablemente el renovado interés por el metabolismo del cáncer. En paralelo, este interés ha inspirado una explosión de avances tecnológicos entre los que figura, por encima de todos, la metabolómica.1Desde una perspectiva histórica, la metabolómica ha surgido como una versión mejorada de la bioquímica «clásica». Su objetivo es poder medir cuantitativamente el metaboloma, es decir, el conjunto indefinido de metabolitos endógenos y exógenos resultantes de la actividad enzimática celular y la exposición a estímulos ambientales como la dieta.

El análisis de metabolitos (y en general, pequeñas moléculas orgánicas) en sistemas biológicos estuvo, está y estará unido inevitablemente a avances en química orgánica y, sobre todo, en instrumentación analítica. Avances tecnológicos, y entre ellos también computacionales, son los que permiten hoy en día el perfilado masivo de metabolitos. Por ello, como mejor se pueden entender las limitaciones y el potencial de la metabolómica es conociendo el contexto histórico en el que surge este nuevo campo de las ciencias ómicas (fig. 1, clique aquí o sobre la imagen para ampliar cronograma).



Figura 1. Principales avances analíticos e hitos relacionados con el estudio del metabolismo


Las primeras determinaciones elementales de pequeñas moléculas orgánicas, tales como el ácido láctico, ácido cítrico o el ácido oxálico, fueron el resultado de aplicar técnicas analíticas desarrolladas por Lavoisier entre 1777 y 1790, y mejoradas posteriormente por Gay-Lussac y Thenard entre 1810 y 1812. Los compuestos se separaban y purificaban por destilación y cristalización a partir de tejidos animales y vegetales particularmente ricos en estas moléculas –el ácido cítrico del limón, o el ácido láctico de la leche son solo dos ejemplos– para posteriormente derivar pesos atómicos mediante técnicas de combustión (fig. 2).

Figura 2. Primer aparato de Lavoisier para el análisis por combustión de sustancias orgánicas
(Fuente: Traitè èlèmentaire de chimíe, Lavoisier, 1789)

Durante el siglo XIX se determinaron muchas otras fórmulas moleculares de muchas clases de moléculas biológicas (por ejemplo, aminoácidos, carbohidratos, lípidos), aunque el verdadero avance de ese siglo que ilustró las bases de nuestro conocimiento de las reacciones bioquímicas fue el libro de Justus von Liebig Animal Chemistry (1842). Liebig infirió por primera vez ecuaciones metabólicas que describían procesos fisiológicos sin ninguna prueba de la existencia de tales reacciones in vivo, basándose únicamente en sus conocimientos de química orgánica. Los estudios de Liebig, por tanto, sentaron las bases para el análisis de las interconversiones de moléculas orgánicas simples dentro de la célula. Posteriormente, el principal avance metodológico que permitiría demostrar que muchas de las reacciones metabólicas predichas por Liebig se daban realmente en el metabolismo celular fue la utilización de isótopos radioactivos (2H, 32P, 14C).

Hitos tecnológicos como el uso de reactores nucleares como fuente de radioisótopos artificiales, y espectrómetros de centelleo que reemplazaron a los contadores Geiger para medir radiactividad, produjeron un crecimiento exponencial de la investigación bioquímica después de 1945. Por entonces, ya se había descubierto el acetil-CoA o la biosíntesis de esteroides. En ese mismo período, las técnicas cromatográficas desarrolladas por Archer Martin y Richard Synge llevarían rápidamente al desarrollo de diferentes métodos cromatográficos como la cromatografía de gases, y lo que se conocería posteriormente como cromatografía líquida de alta presión (o HPLC por sus siglas en inglés). En 1945, prácticamente todas las técnicas analíticas necesarias para la investigación bioquímica estaban disponibles para la siguiente generación de investigadores. De hecho, antes de 1957 se habían elucidado ya rutas biosintéticas para prácticamente toda clase de moléculas biológicas, incluyendo lípidos, carbohidratos, bases de ácidos nucleicos, aminoácidos y vitaminas.

Donald Nicholson compiló en 1955 todas las reacciones metabólicas conocidas hasta ese momento en un solo mapa compuesto únicamente por unas 20 rutas metabólicas.2 Por tanto, la mayor parte de fórmulas moleculares y estructuras de metabolitos habían sido descubiertas incluso antes de la primera estructura de una proteína con resolución atómica, la elucidación de la estructura del DNA en 1953, o la posterior publicación en 1958 del dogma central de la biología molecular. Esta situación tendría una consecuencia palpable en el estudio del metabolismo, que tratamos más adelante.

«La evolución tecnológica que llevaría al boom de la biología molecular permite entender mejor el recobrado interés por el estudio del metabolismo por parte de biólogos moleculares e investigadores clínicos.»

Siguiendo con el aspecto tecnológico, los dos avances más importantes para entender los principios de la metabolómica, tal como la entendemos hoy en día, fueron la aparición de la resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectrometría de masas (o MS por sus siglas en inglés). La RMN fue descrita por primera vez por Isidor Rabi en 1938, y posteriormente utilizada para el análisis de líquidos y sólidos por Bloch y Purcell. La introducción de imanes superconductores durante la década de 1970 combinado con la transformada de Fourier, hizo posible que la observación de 13C (el isótopo estable del átomo de carbono) fuera rutinaria en estudios metabólicos. Ya en 1974, Seeley demostró la utilidad de la RMN para detectar metabolitos en muestras biológicas intactas. En paralelo, Conrad aplicó por primera vez en 1934 la espectrometría de masas al estudio de moléculas orgánicas, aunque algunos de los avances más importantes para contextualizar mejor lo que hoy conocemos como metabolómica basada en espectrometría de masas se deben a McLafferty y colaboradores. Fueron ellos quienes en 1956 acoplaron una cromatografía de gases a un espectrómetro de masas por primera vez, introdujeron la técnica de disociación inducida por colisión (CID, por sus siglas en inglés) en 1967 o acoplaron un sistema de HPLC a un espectrómetro de masas en 1974.

La que probablemente es la prueba del concepto de la metabolómica basada en espectrometría de masas fue descrita en 1966 por Dalgliesh y colaboradores, cuando llevaron a cabo por primera vez un experimento de GC-MS para separar y detectar un amplio abanico de metabolitos presentes en orina y extracto de tejido biológico.3 Posteriormente, Horning y colaboradores introdujeron el término perfiles metabólicos,4 y junto con Linus Pauling y Arthur Robinson desarrollaron métodos de GC-MS para monitorizar simultáneamente decenas de metabolitos presentes en muestras biológicas durante la década de 1970. Aun así, la piedra angular sobre la que pivota la metabolomica –y la proteómica– actualmente, fue el desarrollo en 1989 de la técnica de ionización por electrospray (ESI, por sus siglas en inglés) por John B. Fenn. Pronto en 1994, Richard Lerner desde The Scripps Research Institute realizó el que probablemente es el primer estudio de metabolómica no dirigida basada en LC-MS. En ese estudio compararon el líquido cefalorraquídeo (LCR) de felinos privados de sueño con el de gatos normales, para encontrar un lípido hasta la fecha desconocido en el cerebro que se acumulaba en el LCR de los gatos privados de sueño.5

En perspectiva, el curso histórico de los avances analíticos representa una pieza indispensable para entender las tendencias en investigación que se instauraron a partir de la mitad de los años setenta. La evolución tecnológica que llevaría al boom de la biología molecular permite entender mejor el recobrado interés por el estudio del metabolismo por parte de biólogos moleculares e investigadores clínicos.

Con la aparición de técnicas de análisis de biopolímeros como el DNA o las proteínas, se produjo la explosión de la genómica en la década de 1980 y de la proteómica en la de 1990. Rápidamente se instauró la idea de que la investigación de los metabolitos era un campo maduro y la bioquímica de estos ya estaba suficientemente descrita. El metabolismo celular fue reducido prácticamente a procesos celulares por los cuales los nutrientes eran convertidos en energía, monómeros para la construcción del DNA y proteínas, y algunas otras pequeñas moléculas orgánicas. De hecho, la mayoría de las rutas metabólicas que se enseñan hoy en día en el programa curricular de la asignatura de Bioquímica fueron descubiertas y mapeadas antes de 1960.

«La metabolómica está generando datos que ponen en evidencia la idea de que la foto del metabolismo celular está completa.»

Solo recientemente con la aplicación de técnicas innovadoras de espectrometría de masas y resonancia magnética nuclear para el estudio del metabolismo en sistemas biológicos, la comunidad científica está reconsiderando la idea preestablecida de que el metaboloma celular ya está perfectamente caracterizado. Los resultados de múltiples estudios de metabolómica revelan centenares de señales provenientes de extractos celulares cuyas masas moleculares no pueden ser contrastadas con ningún metabolito descrito hasta el momento en rutas metabólicas convencionales. La metabolómica está generando datos que ponen en evidencia la idea de que la foto del metabolismo celular está completa. Aunque aún no podemos establecer con exactitud cuántos metabolitos desconocidos quedan por caracterizar, es evidente que las nuevas tecnologías y aproximaciones metabolómicas ya han descubierto nuevos metabolitos, reacciones y flujos metabólicos inesperados que tienen una importante relevancia fisiológica.

La historia de la bioquímica es caprichosa, y parece empujarnos a un déjà vu que rememora los tres períodos históricos en los que el premio Nobel Ernst Boris Chain clasificó el estudio del metabolismo celular:6

  • la era preisótopo, en la que las actividades enzimáticas de diferentes rutas metabólicas se determinaron in vitro o fuera de la célula;
  • la era de los isótopos, en la cual las transformaciones de metabolitos eran caracterizadas mediante marcaje radioactivo; y
  • la era de la bioquímica genética en la que la expresión de enzimas se manipulaba con el objetivo de establecer la secuencia de las reacciones metabólicas.

Hoy podemos decir que la metabolómica nos ofrece una oportunidad para integrar estos tres períodos históricos en una nueva era marcada por los avances tecnológicos y computacionales que nos permitirán estudiar nuevos aspectos del metabolismo y elucidar detalles operacionales desconocidos de la regulación celular en diferentes estados fisiológicos.

Por todo ello, este número monográfico de la Revista SEBBM se centra en ofrecer un dossier de artículos que permitan entender mejor qué es la metabolómica, cuáles son sus principales aplicaciones y cómo determinados desarrollos experimentales y computacionales podrían permitir en un futuro próximo entender el metabolismo de forma global e integrado.

Como veremos, la metabolómica proporciona una herramienta única para medir directamente la actividad bioquímica mediante la detección de los sustratos y productos producidos durante el metabolismo celular, lo que sirve como lectura fenotípica que se puede utilizar en el diagnóstico clínico y la identificación de dianas terapéuticas, y para investigar mecanismos de procesos biológicos fundamentales. Debido a la dependencia tecnológica resulta difícil ser plenamente conscientes del potencial que tiene la metabolómica para dar forma a nuestra comprensión del metabolismo.


Bibliografía

  1. Patti G.J., Yanes O. et al.: «Innovation: Metabolomics: the apogee of the omics trilogy». Nat Rev Mol Cell Biol 2012; 13 (4): 263-9.
  2. Klingenberg P.: «An introduction to metabolic pathways, herausgegeben von S. Dagley and Donald E. Nicholson. 343 Seiten, zahlreiche Abb. Blackwell Scientific Publications, Oxford and Edinburgh 1970. Preis 75 s». Food / Nahrung 1971; 15 (4): 473.
  3. Dalgliesh C.E., Horning E.C. et al.: «A gas-liquid-chromatographic procedure for separating a wide range of metabolites occuring in urine or tissue extracts». Biochem J 1966; 101 (3): 792-810.
  4. Horning E.C. Horning M.G.: «Metabolic profiles: gas-phase methods for analysis of metabolites». Clin Chem 1971; 17 (8): 802-9.
  5. Lerner R.A., Siuzdak G. et al.: «Cerebrodiene: a brain lipid isolated from sleep-deprived cats». Proc Natl Acad Sci USA 1994; 91 (20): 9505-8.
  6. Chain E.B.: «Landmarks and Perspectives in Biochemical Research». Br Med J 1965; 1 (5430): 273-8.
  7.  

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Óscar Yanes

Profesor Asociado al Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universitat Rovira i Virgili (URV), Tarragona
Investigador del Centre for Omic Sciences de la URV
Coordinador de la Plataforma de Metabolómica del CIBERDEM

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