Herramientas de la biotecnología. La era de las ómicas
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EDICIÓN Nº 114  Herramientas de la biotecnología. La era de las ómicas El desarrollo de un gran número de proyectos de secuenciación de ADN en los últimos años, como el Proyecto Genoma Humano (ver Cuaderno nº 55), ha llevado al perfeccionamiento y desarrollo de nuevas técnicas en el campo de la biotecnología. Estas herramientas han permitido el estudio en profundidad de procesos celulares y moleculares, y el creciente entendimiento de los sistemas biológicos a nivel molecular. Sin embargo, los organismos no operan como compartimentos moleculares aislados, y la única forma de entenderlos es ensamblando esas piezas moleculares en sistemas. Así se puede lograr una visión global de los procesos biológicos. Esto ha dado origen a lo que se denomina genéricamente como técnicas “ómicas”, entre ellas la genómica, proteómica, metabolómica y transcriptómica. El término ómica hace referencia a diferentes técnicas de estudio en biología en cuya denominación se aplica el sufijo “oma” que significa “conjunto de”. Los campos de investigación de las “ómicas” unen descubrimientos científicos en biología molecular y celular con aplicaciones comerciales (ver Cuaderno nº 10, 25, 52, 54, 80, 98, 105). Las técnicas “ómicas” se basan en el análisis de un gran volumen de datos y, por lo tanto, se valen de la bioinformática y de técnicas rápidas y automatizadas de alto rendimiento para integrar la información de forma coherente.  Fuente: Revista Nº 100 Encuentros en la Biología http://www.encuentros.uma.es/encuentros100/omicas.htm Genómica La genómica es el estudio científico de los genomas y del rol que tienen los genes en determinar la estructura, dirigir el crecimiento y desarrollo, y en controlar las funciones de los seres vivos (ver Cuadernos nº 3, 32, 65, 67, 69). Su trabajo comienza con la secuenciación del ADN. Luego esta secuencia es empleada para identificar qué fragmentos o zonas corresponden a genes y cuál es la función de cada gen. Esta información permite compararla con la de otros organismos, o generar la estructura tridimensional de las proteínas, y así tener algún indicio sobre sus funciones. Conocer las secuencias completas o parciales de ADN de ciertos genes o marcadores puede proveer información muy útil. Por otra parte, debido a que los organismos comparten un código genético, y pueden traducir la información genética de otros organismos en funciones biológicas, cada gen descubierto a través de estos proyectos podría tener una extensa aplicación en muchos sectores industriales. El primer organismo vivo que tuvo su genoma secuenciado fue la bacteria Haemophilus influenzae, en 1995. A partir de ese momento, y bajo la denominación de “Proyectos Genoma”, se ha completado la secuencia de los genomas de muchas especies más, incluyendo bacterias, hongos, protozoarios, plantas y animales. Según el Centro Nacional para la Información de la Biotecnología (NCBI), hasta el 31 de diciembre de 2007 se habían completado las secuencias genómicas de 644 organismos (573 eubacterias, 49 arquibacterias y 22 especies eucariontes). Algunos de estos organismos fueron elegidos porque causan enfermedades en el hombre o en especies de importancia económica, o porque son modelos representativos de los grandes grupos (plantas, mamíferos, insectos, etc.) y resultan útiles para investigar los mecanismos de diferenciación celular, desarrollo, genética, entre otros (ver Cuaderno nº 50). Hasta la misma fecha, el NCBI registra también 581 proyectos en estado avanzado de ensamblado de las secuencias obtenidas (449 de eubacterias, 4 de arquibacterias y 128 de eucariontes) y 631 en la etapa de secuenciación (428 eubacterias, 29 arquibacterias y 174 eucariontes). La siguiente tabla, tomada de la base de datos del NCBI Entrez Genome Project, presenta algunas de las 644 especies que ya tienen su genoma completamente secuenciado: *Millones de pares de bases. La conclusión de diferentes proyectos genoma ha proporcionado una gran cantidad de información a los investigadores, pero también ha abierto las puertas a nuevos interrogantes, por ejemplo, cómo son los procesos de regulación de la expresión de los genes, o cómo se identifican las diferencias entre el genoma de individuos de una misma especie, y de qué manera las más sutiles alteraciones en cada una de estas operaciones podrían predisponer a cada individuo a una enfermedad. Para dar respuesta a estas preguntas, que están más allá de los estudios genómicos, se ha desarrollado lo que se conoce como “Post-Genómica”.  La genómica estructural está orientada a la caracterización y localización de las secuencias que conforman el ADN de los genes, permitiendo de esta manera la obtención de mapas genéticos de los organismos. La genómica funcional es la disciplina que se orienta hacia la recolección sistemática de información acerca de las funciones desempeñadas por los genes para, de esta manera, develar el comportamiento de los sistemas biológicos. Es decir que la genómica funcional requiere de la información que aporta la genómica estructural. Se trata de expandir el alcance de la investigación biológica desde el estudio de genes o proteínas individuales al estudio de todos los genes y proteínas al mismo tiempo, en un momento determinado. Debido al gran volumen de información que se genera durante los estudios, estas metodologías experimentales se combinan con análisis computacionales. La “genómica funcional”, se relaciona con la proteómica, la transcriptómica y la metabolómica ya que estudian los productos de la expresión de los genes. Proteómica La expresión génica determina la producción de proteínas. Una célula puede producir miles de proteínas cada una con una función específica (Cuaderno nº 3, 105). La colección de proteínas producidas en una célula es conocida como proteoma, y la proteómica es el estudio de la estructura, función, localización e interacción de las proteínas dentro y entre las células. Se considera a la proteómica como el paso siguiente a la genómica en el estudio de los sistemas biológicos. Las técnicas empleadas son, principalmente, electroforesis en geles bidimensionales, espectrometría de masa y micromatrices o microarreglos de proteínas1. Si bien, como el ADN, las proteínas están construidas en una cadena lineal, los aminoácidos forman eslabones complejos que hacen que la cadena se pliegue en formas complejas e intrincadas. Esos formatos son esenciales para la función de cada proteína. Se sabe que la secuencia de aminoácidos puede afectar la forma que adoptan las proteínas, pero aún falta comprender todas las reglas que gobiernan el proceso de plegamiento. Esto significa que la forma de la proteína o la función generalmente no pueden ser predichas a partir de la secuencia de aminoácidos. Por otra parte, las proteínas sufren modificaciones posteriores a su construcción llamadas modificaciones post-traduccionales. Esto afecta tanto la forma como la función de una proteína. Mientras el genoma es prácticamente invariable, el proteoma no sólo difiere de célula en célula, sino que también cambia según las interacciones bioquímicas con el genoma y el ambiente. El proteoma varía de un tipo de célula a otra, de un año a otro, de un momento a otro. Además, las proteínas son más diversas que los genes que las determinan, ya que un solo gen puede codificar diferentes versiones de una proteína, cada una con una función diferente. Por ejemplo, el genoma humano tiene unos 25.000 genes, y su expresión genera al menos unas 500.000 proteínas diferentes, debido a mecanismos como el splicing alternativo y a modificaciones post-traduccionales. Al trabajar en un proyecto de proteómica los investigadores buscan catalogar todas las proteínas producidas por diferentes tipos celulares, determinar cómo la edad, el medio ambiente y las enfermedades afectan las proteínas producidas por las células, descubrir las funciones de estas proteínas, trazar el progreso de un proceso biológico, por ejemplo de una enfermedad, conocer los pasos en el proceso de infección, o la respuesta bioquímica de un cultivo al daño provocado por un insecto midiendo cambios en la producción de proteínas, o descubrir cómo una proteína interactúa con otras proteínas dentro de la célula y fuera de la célula (ver Cuaderno nº 80 y 105). Además de ayudar a entender la complejidad de los procesos celulares y las respuestas fisiológicas de las células y organismos a su entorno, la proteómica será crucial para el desarrollo de mejores métodos de diagnóstico y tratamiento (ver Cuaderno nº 68). Por ejemplo, puede ayudar a descubrir proteínas que funcionen como “marcadores” para determinadas enfermedades, como lo es la beta-secretasa para la Enfermedad de Alzheimer, y la interleukina-6, interleukina-8, proteína amieloide A, fibrinógeno, y troponinas para la enfermedad cardiovascular. Transcriptómica La transcriptómica estudia y compara transcriptomas que son los conjuntos de ARN mensajeros o transcriptos presentes en una célula, tejido u organismo. Como los proteomas, los transcriptomas son muy variables, ya que muestran qué genes se están expresando en un momento dado. Son particularmente interesantes para los científicos los transcriptomas de las células cancerosas y de las células madre (ver Cuaderno nº 83), ya que pueden ayudar a entender los complicados procesos de carcinogénesis y de desarrollo y diferenciación celular. Como la genómica, la transcriptómica se vale de la bioinformática y las micromatrices (o microarreglos, microarray en inglés). La idea básica de las micromatrices es construir, sobre una membrana o lámina de vidrio, arreglos de muestras que contienen fragmentos de ADN. Por otro lado se marca el ARN o el ADN copia (cDNA) de una población celular con fluorescencia o radioactividad, y se usa esta preparación para hibridar con el ADN de la micromatriz. Generalmente se hibrida simultáneamente la misma micromatriz con una muestra de ARN o ADN copia de referencia, para facilitar la comparación. La siguiente figura muestra un ejemplo de hibridación de micromatrices.  Fuente: http://www.argenbio.org/adc/uploads/imagenes_doc/omics/transcriptomica.bmp La tecnología de micromatrices ha transformado la investigación científica porque permite analizar decenas de miles de datos simultáneamente. Miles de moléculas de ADN, proteínas, tejidos o células pueden ser analizadas en un solo chip (micromatriz, microarray): una pequeña superficie de vidrio que lleva un arreglo (patrón) microscópico de puntos que indican cada molécula que está siendo estudiada. La tecnología de micromatrices de ADN por ejemplo trabaja explotando la habilidad de una molécula de ARNm de unirse específicamente, o de hibridarse al ADN molde del cual se ha originado. Usando un arreglo conteniendo muchas muestras de ADN, los científicos pueden determinar en un solo experimento los niveles de expresión de cientos o miles de genes dentro de una célula midiendo la cantidad de ARNm unido a cada sitio del arreglo. Con ayuda de una computadora, la cantidad de ARNm unido a los puntos del arreglo es precisamente calculada generando un perfil de la expresión génica en una célula Metabolómica La metabolómica es el estudio y comparación de los metabolomas que es la colección de todos los metabolitos (moléculas de bajo peso molecular) presentes en una célula, tejido u organismo en un momento dado. Estos metabolitos incluyen a intermediarios del metabolismo, hormonas y otras moléculas de señalización, y a metabolitos secundarios (ver Cuaderno nº 105). En 2007, los científicos lograron completar el primer borrador del metaboloma humano (http://www.metabolomics.ca). Catalogaron y caracterizaron a unos 2.500 metabolitos, unas 1.200 drogas y unos 3.500 componentes alimenticios que pueden encontrarse en el cuerpo humano. El metaboloma es muy dinámico, cambia ante la menor señal física o química, y debido a que son muchos los tipos de metabolitos que puede haber en una célula, también son varios los métodos que se emplean en el análisis. Para estudiar el metaboloma se necesita primero separar los metabolitos, y luego detectarlos. Para separarlos se suelen usar las técnicas de cromatografía en fase gaseosa, cromatografía líquida de alto rendimiento (o HPLC), o electroforesis con capilares. Para la detección de los metabolitos, se emplean principalmente la espectrometría de masa y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (ver Cuaderno nº 67, 80, 98, 108). Aunque se usan prácticamente en forma indistinta, para algunos autores los términos metabolómica y metabonómica hacen referencia a objetivos diferentes. La metabolómica cataloga y cuantifica a las moléculas pequeñas que se encuentran en los sistemas biológicos. Esto podría aplicarse a estudios toxicológicos, ya que se podría estudiar el metaboloma de la orina y otros fluidos corporales para detectar cambios fisiológicos causados por la exposición a un posible tóxico. Como parte de la genómica funcional, la metabolómica puede ser una herramienta para estudiar la función de los genes, a través de la mutación, deleción o inserción de los mismos. En la nutrigenómica, que relaciona a las “ómicas” con la nutrición humana, la metabolómica podría servir para correlacionar los perfiles de metabolitos de fluidos y órganos con patologías, constitución genética y dietas. En lo que respecta a Seguridad alimentaria de nuevos cultivos transgénicos, la genómica, proteómica y metabolómica constituyen las principales herramientas usadas por los expertos en todo el mundo en bioseguridad y análisis de riesgo para concluir sobre la inocuidad alimentaria de estos nuevos cultivos y sus derivados. La metabonómica estudia cómo cambian los perfiles metabólicos como respuesta a estreses, tales como enfermedades, tóxicos o cambios en la dieta. Biología de sistemas y Bioinformática Los principales avances en el campo de la biología molecular acoplados a las tecnologías genómicas han llevado a un crecimiento en la generación de información biológica. La biología de sistemas es la rama de la biología que busca usar la información biológica para crear modelos matemáticos predictivos de los procesos celulares, rutas bioquímicas y esclarecer la complejidad de las interacciones en los sistemas biológicos (ver Cuaderno nº 105). Esto es posible con biosimulaciones computarizadas. De a poco los productos de la biotecnología incrementan el foco en los sistemas y rutas metabólicas, más que en genes o moléculas simples y la bioinformática resulta esencial en cada paso del descubrimiento, desarrollo y comercialización de un producto. Esto ha resultado en una absoluta dependencia de bases de datos computarizadas para almacenar, organizar e indexar la información, y de herramientas especializadas para visualizar y analizar los datos. En este contexto surge la bioinformática como campo de la ciencia en la que la biología, la computación y la tecnología de la información se unen en una sola disciplina. La bioinformática usa las herramientas computaciones de la tecnología de la información como software, simulación gráfica, algoritmos (fórmulas matemáticas) y gestión de base de datos para juntar, almacenar, acceder, visualizar, integrar, análisis y modelado. Estas últimas acciones constituyen lo comúnmente llamado “biología computacional”. 1 Ver animaciones en http://www.childrenshospital.org/cfapps/research/data_admin/Site602/mainpageS602P0.html) |
