Introducción a la metabolómica

Definición de metabolómica

La metabolómica es el estudio de los metabolitos, es decir, las moléculas pequeñas que actúan como reactivos, intermediarios y productos del metabolismo, así como las moléculas procedentes de la alimentación, la exposición ambiental y los fármacos. Los metabolitos, junto con los genes, los transcritos y las proteínas, representan niveles diferentes pero interrelacionados de los procesos celulares que se organizan de acuerdo con el dogma central de la biología. Dado que los metabolitos suelen representar la etapa final de los procesos celulares, estas moléculas se encuentran en una posición única para recibir información del genoma, el transcriptoma y el proteoma.

Además, están en condiciones de recibir información directa de otros factores, como el microbioma y el entorno (Figura 1). Por lo tanto, los metabolitos no solo desempeñan un papel crucial en los mecanismos que influyen directamente en el fenotipo, sino que también reflejan el estado biológico en tiempo real de un organismo con mayor precisión que otros tipos de moléculas. Por estas razones, la metabolómica es reconocida por su capacidad para revelar información fenotípica detallada que no puede deducirse únicamente a partir de la genómica, la transcriptómica o la proteómica.

La capacidad de la metabolómica para «completar el panorama» en los estudios ómicos ha desempeñado un papel fundamental en el avance de los descubrimientos científicos, la aceleración del desarrollo de fármacos, la validación de la calidad de los productos y la obtención de otros conocimientos prácticos que generan resultados empresariales cuantificables e impulsan la investigación.

Figura 1. Las señales procedentes de las moléculas celulares y de factores externos convergen en los metabolitos. El dogma central de la biología establece que los procesos celulares se llevan a cabo mediante un conjunto de moléculas que propagan una señal en función de las señales recibidas de las moléculas que las preceden. Los metabolitos se encuentran en una posición única para recibir señales de cada conjunto de moléculas celulares, así como del microbioma y de otros factores externos, lo que los convierte en el reflejo más fiel del fenotipo.

Objetivo de esta guía

En esta guía analizaremos los principios básicos de la metabolómica y examinaremos estudios científicos revisados por pares que ponen de manifiesto la utilidad de la metabolómica en la ciencia básica, la ciencia traslacional y diversos mercados aplicados. Esta guía está dirigida específicamente a investigadores principales, científicos, responsables de I+D y estrategas de innovación, y tiene como objetivo mostrar cómo la metabolómica puede ampliar los conocimientos derivados de los estudios más allá de las ciencias «ómicas» tradicionales.

En esta guía aprenderás:

1. Conceptos básicos del flujo de trabajo en metabolómica, métodos de perfilado y selección de muestras (Capítulo 1)
2. Las soluciones Metabolona los retos asociados a los estudios de metabolómica, y cómo nuestro enfoque centrado en la química (quimio-céntrico) hace que los datos Metabolon destaquen sobre los demás (Capítulo 2)
3. Metabolómica para aplicaciones comerciales (Capítulo 3)
• Desarrollo de fármacos
• Nutrición humana
• Ganadería y salud de los animales de compañía
4. Metabolómica para estudios traslacionales (Capítulo 4)
• Biomarcadores, mecanismos y dianas terapéuticas de las enfermedades
5. Metabolómica para la ciencia básica (Capítulo 5)
• Mecanismo
• Microbioma
• Salud de la población
• Matrices de muestra alternativas
6. Cómo diseñar un estudio de metabolómica (Capítulo 6)

Flujo de trabajo de metabolómica

La metabolómica se lleva a cabo normalmente mediante resonancia magnética nuclear (RMN) o cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS). La RMN identifica y mide los metabolitos basándose en la energía emitida por los núcleos celulares tras su exposición a la radiación electromagnética. Este enfoque tiene la ventaja de mantener la muestra intacta, lo que permite realizar análisis de seguimiento alternativos. Sin embargo, la conservación de la muestra implica una compensación en cuanto a la sensibilidad, que es relativamente baja con esta técnica. Por el contrario, la LC-MS ofrece una sensibilidad y una resolución muy superiores y, por lo tanto, una mayor comprensión científica.

En un flujo de trabajo de LC-MS, los metabolitos se aíslan de su entorno biológico, se separan entre sí mediante LC y se analizan mediante MS. Los espectrómetros de masas funcionan convirtiendo las moléculas del analito a un estado cargado (ionizado) y analizando a continuación esos iones y cualquier fragmento iónico que se produzca durante el proceso de ionización. A continuación, los metabolitos pueden identificarse comparando las huellas que producen en el MS, junto con sus características cromatográficas (LC), con una biblioteca de referencia bioquímica.

Las elevadas velocidades de escaneo de la MS permiten un alto grado de multiplexación, así como la identificación y medición de cientos o miles de compuestos en una sola serie analítica. La LC-MS detecta con precisión metabolitos en concentraciones que oscilan entre niveles picomolares y molares, lo que permite obtener perfiles bioquímicos de amplio alcance.

Métodos de elaboración de perfiles

La metabolómica se lleva a cabo generalmente mediante un enfoque dirigido o no dirigido (global), dependiendo del objetivo del estudio o de la hipótesis que se esté analizando. La metabolómica dirigida es una técnica cuantitativa que detecta y mide un conjunto predefinido de metabolitos, mientras que la metabolómica global es semicuantitativa y se utiliza para detectar una amplia gama de metabolitos en una muestra biológica sin selección previa (Figura 2).

La amplia cobertura que ofrece la metabolómica global la hace especialmente útil para generar hipótesis y llevar a cabo estudios de descubrimiento, mientras que la metabolómica dirigida resulta ideal para validar hallazgos previos o comprobar una hipótesis relacionada con un mecanismo conocido o un conjunto de vías bioquímicas. Las características de ambos métodos de perfilado y sus aplicaciones específicas se ilustran en los casos prácticos que se analizan en los capítulos 3 a 5.

Figura 2. Resumen de los enfoques dirigidos y no dirigidos.

Selección de la muestra

Se han validado numerosas matrices de muestras en los flujos de trabajo de metabolómica, entre las que se incluyen, entre otras, diversos tipos de tejidos, células, plantas y fluidos biológicos. En algunos casos, se pueden analizar dos tipos de muestras conjuntamente para evaluar de forma exhaustiva un tema de interés. Por ejemplo, un investigador que desee caracterizar los mecanismos de la enfermedad del intestino irritable puede analizar tanto el suero como las heces para determinar cómo las alteraciones en la microbiota intestinal afectan a los biomarcadores circulantes de la inflamación. Del mismo modo, un investigador que estudie el metabolismo del NAD(H) puede analizar el suero y el tejido muscular, ya que ciertos metabolitos de las vías del NAD(H) son más abundantes en una matriz que en la otra y, por lo tanto, el análisis de ambas proporciona una visión más completa del flujo biológico. La amplia experiencia Metaboloncon matrices de muestras de uso común y alternativas se analiza en el capítulo 5.

Conclusiones del capítulo

• Gracias a su enfoque biológico, la metabolómica permite obtener información sobre procesos biológicos que no se puede deducir únicamente a partir de otras ciencias «ómicas».
• La metabolómica se lleva a cabo mediante perfiles específicos o no específicos, y cada enfoque se adapta de manera única a tipos concretos de investigación científica.
• La metabolómica es compatible con numerosos tipos de muestras, lo que la hace ampliamente aplicable a las disciplinas de las ciencias de la vida y a los mercados aplicados.

Partiendo de unos conocimientos básicos sobre la metabolómica, analizaremos ahora los retos asociados a los estudios de metabolómica y las innovaciones que Metabolon desarrollado para hacerles frente. También abordaremos el enfoque centrado en las sustancias químicas (quimio-céntrico) Metabolonpara el análisis de datos y explicaremos cómo este eleva la calidad de los datos Metabolon por encima del resto del sector.