La metabolómica: un cambio en la aproximación a la investigación bioquímica

Artículo publicado en diciembre de 2018

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2018.12.1

Coral Barbas

CEMBIO (Centro de Metabolómica y Bioanálisis), Facultad de Farmacia, Universidad San Pablo CEU, Madrid

Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

 

Descargar artículo (pdf)

 

Las tecnologías ómicas suponen un cambio en la forma de hacer investigación. Se mide todo lo que cambia en una situación en estudio en comparación con el adecuado control con respecto a genes (genómica), proteínas (proteómica) o metabolitos (metabolómica). 

La investigación clásica ha sido reduccionista: se genera una hipótesis y se miden de uno en uno tantos compuestos como sea posible para confirmar o descartar esa hipótesis. Así, por ejemplo, cuando se trataba de probar si el estrés oxidativo era el mecanismo subyacente alterado en multitud de patologías, se medía todo un abanico de antioxidantes y productos de oxidación (vitamina E, glutatión reducido y oxidado, 4-hidroxinonenal, etc.) en el sistema en estudio para confirmar o descartar la hipótesis. La aproximación sigue siendo válida, pero la cantidad de información que se obtiene es muy limitada y a veces las conclusiones son muy parciales, porque se pierden de vista otras muchas alteraciones que pueden ser incluso más relevantes.

El enorme desarrollo de la instrumentación analítica, en particular la espectrometría de masas y la bioinformática, nos ha proporcionado herramientas para aproximarnos a una situación fisiopatológica alterada de otra forma: se trabaja con dos grupos (casos y controles) y se mide TODO lo que cambia en la situación en estudio. La capacidad de adquirir información es casi ilimitada. En ese contexto se sitúan las tecnologías ómicas: genómica, proteómica y metabolómica.

De ellas, la metabolómica ha sido la última en llegar al laboratorio por la complejidad de su aplicación, ya que mientras genes y proteínas están formados por la repetición de unidades de estructura química similar, los metabolitos cubren un amplísimo rango de propiedades fisicoquímicas que van desde el oxalato, muy polar, a los triglicéridos absolutamente apolares y en niveles de concentración que se expanden desde el milimolar al picomolar.

A pesar de las dificultades analíticas, la metabolómica se está abriendo paso como herramienta fundamental en investigación por importantes razones de las que citaremos algunas: a) actividad es igual a concentración, b) la concentración de metabolitos puede modificar la actividad de genes y proteínas; c) a diferencia de genes y proteínas, los metabolitos se sitúan en las rutas bioquímicas y su función se puede “explicar” directamente, d) los metabolitos representan toda la cascada de reacciones bioquímicas que comienza en los genes y son lo más próximo al fenotipo; e) se alteran mucho y rápidamente ante cualquier cambio en el organismo y por tanto son marcadores ideales para la situación de que se trate.

La metodología de trabajo consiste en seleccionar muestras (cualquier fluido o tejido biológico es posible) de dos o más grupos a comparar cuyas diferencias respondan a una pregunta biológica clara y bien definida y que sean tan homogéneos como sea posible en el resto. Este punto es clave en todo estudio. Así, uno de los primeros estudios de metabolómica publicado trataba de encontrar marcadores de enfermedad cardiovascular en los que el grupo de pacientes tenía una edad media superior a 60 años, mientras que el grupo control, becarios del laboratorio, no llegaba a 30. Con el tiempo se demostró que los marcadores encontrados eran marcadores de envejecimiento y no necesariamente de daño cardiovascular. Como en toda técnica, se va aprendiendo con el tiempo y a veces con los errores cometidos.

A continuación se produce un perfil de señales tan amplio y no sesgado como sea posible de esas muestras, sin buscar nada a priori, y se superponen los perfiles de casos y controles, buscando las señales en las que haya diferencias estadísticamente significativas. Cómo realizar adecuadamente la estadística con miles de señales y generalmente pocas muestras no es tarea fácil. Esas señales diferenciales están potencialmente asociadas a la situación en estudio. Aquí comienza una tarea ardua y que requiere formación, la de pasar de una señal con una masa y un tiempo de retención a un compuesto identificado con un nombre. Este es otro punto en el que es necesario un trabajo riguroso, porque falsas identificaciones llevan a falsas conclusiones.

Una vez terminada la tarea de identificar los metabolitos alterados en la situación estudiada, queda la tarea de la interpretación, y es ahí donde la bioquímica juega un papel relevante. Una lista no es nada, lo que verdaderamente da valor a un estudio es entender los mecanismos alterados que surgen como hipótesis de los cambios encontrados, porque así se podrá actuar sobre ellos. De todo este proceso pueden surgir o posibles marcadores diagnósticos o del efecto de un tratamiento que hay que validar, o una hipótesis sobre mecanismos alterados, que habrá que confirmar.

La metabolómica por tanto, es una herramienta extremadamente potente, que requiere de mucho trabajo, muy riguroso, realizado con un profundo conocimiento, que no compite, sino que se debe integrar en el contexto de toda la información que se puede obtener del sistema en estudio.

 

 

 

 imagen AC diciembre18

 

 Figura. Flujo de trabajo en Metabolómica.


 

Referencias:

1.-Schrimpe-Rutledge A. C., et al. Untargeted metabolomics strategies – Challenges and Emerging Directions. J Am Soc Mass Spectrom., 27(12), 1897–1905 (2016).
2.-Naz S, et al. Analytical protocols based on LC–MS, GC–MS and CE–MS for non targeted metabolomics of biological tissues. Bioanalysis. 6 (12). Published Online:31 Jul 2014 https://doi.org/10.4155/bio.14.119.
3.-Griffin, J. L. et al. Nat. Rev. Cardiol. 8, 630–643 (2011); published online 20 September 2011; doi:10.1038/nrcardio.2011.138.

 

 

Ver artículos de otros meses

 

Entrevista

Coral Barbas

CEMBIO (Centro de Metabolómica y Bioanálisis), Facultad de Farmacia, Universidad San Pablo CEU, Madrid

Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad? 

R.- Mi trayectoria profesional es un tanto atípica. Después de unos diez años dedicada exclusivamente a la docencia, tanto en la enseñanza secundaria como universitaria, me incorporé a la Universidad San Pablo CEU, que en aquel momento comenzaba su trayectoria como Universidad.

Entonces hice lo que yo considero mi postdoc, en el laboratorio de Bioquímica, el del Dr. Herrera, de la mano de uno de sus colaboradores, el Dr. Mario Castro, que con una paciencia y generosidad infinitas me enseñó todo en cromatografía y validación de métodos analíticos mientras levantábamos una Facultad y daba muchas horas de clase. Recuerdo que no había horas suficientes en el día, la noche y los fines de semana, pero fue en ese entorno donde aprendí a investigar: conseguir medir algo para tener unos resultados que confirmen o descarten una hipótesis y que alguien esperaba ansioso, las reuniones para discutirlos, el rigor, junto con los ratos de risas y buenos amigos.

A medida que la Facultad crecía yo me veía en la obligación y me sentía con la capacidad de crear mi propio grupo de investigación en el área de Química Analítica dentro de las aplicaciones al bioanálisis y al análisis farmacéutico. En aquellos momentos, los que han sido siempre mis más cercanos colaboradores Javier Rupérez y Antonia García terminaban su tesis.

Siempre me había quedado una espinita, Emilio Herrera decía que no había una carrera académica o investigadora sin una estancia en el extranjero y yo estaba decidida a que la mía no tuviera ningún pero. Solicité un sabático en la Universidad y una beca Marie Curie que me concedieron y me fui al Kings College de Londres para descubrir el increíble mundo de la metabolómica. Por avatares del destino, para los que hay que estar preparado, del Kings pasé a colaborar con el grupo de Jeremy Nicholson y Elaine Holmes en el Imperial College, con la que por entonces era mi becaria predoctoral y ahora brillante Lecturer, Isabel García-Pérez. He de reconocer que aquello marcó mi trayectoria profesional.

La vuelta fue dura, porque de repente te enfrentas a que todo lo que tienes para hacer metabolómica es una electroforesis capilar con detector UV, pero aún así hicimos metabolómica con ella. Los perfiles se alineaban en la pantalla con una manita que los movía y añadíamos línea base donde faltaba. Mi convicción del valor de esta metodología me llevó a trabajar muy duro para conseguir fondos y poco a poco con la fe en el proyecto de unos pocos y el entusiasmo sin límites de un grupo que iba creciendo, hemos conseguido llegar a donde está ahora el CEMBIO (Centro de Metabolómica y Bioanálisis), centro reconocido a nivel mundial con más de 30 investigadores en distintas etapas y un equipamiento de primer nivel en técnicas de separación acopladas a espectrometría de masas.

En paralelo conseguí la Cátedra de Química Analítica, fui Vicerrectora de Investigación y en la actualidad dirijo la CEU Escuela Internacional de Doctorado y mi trabajo ha ido evolucionando de la pipeta a la gestión de proyectos y recursos humanos y materiales. Repetiría todo lo que he hecho sin duda ninguna.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Yo suelo decir algo que sé que no suena bien y es que no me considero una persona “con vocación”. La gente que me ha conocido más recientemente piensa que nací con un paper en la mano, y sin embargo cuando terminé la carrera todo mi interés era entrar en una industria y luego hubo algún tiempo en el que lo que más me atraía era la docencia.

Mi consejo es: “Hagas lo que hagas en la vida hazlo con pasión, con entrega, con honestidad y con generosidad”, así lograrás ser el mejor y en cualquier caso tendrás una gran satisfacción personal.

El buen investigador no es una excepción, solo con pasión puedes dedicar la cantidad de tiempo que hace falta al trabajo sin mirar la hora y disfrutar de ello. Tienes que estar orgulloso de tu trabajo y querer llegar al fondo de las cosas, no pasar por ellas de puntillas, pero con la humildad suficiente para aceptar la crítica, no temiendo que otros con más o con distinto criterio lo discutan, porque así se aprende.

Recientemente me han dado un premio de la Sociedad Belga de Ciencias Farmacéuticas y me ha resultado curioso que la mayoría de los amigos y conocidos que me han escrito para felicitarme han utilizado una frase similar: te lo mereces por la cantidad de trabajo.

Considero que la vida me ha ido marcando el camino. Lo que me han inculcado es el trabajo serio, riguroso, la lectura crítica.

Para apasionarte con las cosas tienes que poner tu vida en ellas. Muchas noches yo me despierto viendo la solución a algún tema que se ha quedado pendiente. Un buen investigador es una persona apasionada.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de esta área científica? 

R.- A mí me gusta decir que la Química Analítica, la ciencia de la medida en Química, es la llave de la Ciencia, porque cualquier conclusión de una hipótesis se basa en las medidas realizadas. Lo que no se puede medir no existe más que en el campo de las ideas y si se mide, pero no se hace correctamente, las conclusiones son inútiles.

Mi línea de investigación es la de la medida, pero he pasado de la cuantificación exhaustiva a la semicuantificación masiva. En este siglo estamos viviendo un cambio de paradigma en la forma de abordar la investigación: en vez de cuantificar un compuesto o grupo de ellos cada vez con más sensibilidad, intentamos medir todo lo que cambia en una situación en estudio, las metodologías “ómicas”. La complejidad a la hora de interpretar los resultados es enorme, pero la capacidad de descubrir cosas que nadie había pensado es también inimaginable.

Dentro de las ómicas, la investigación del CEMBIO se ha centrado en el desarrollo y aplicación de la metabolómica. Desarrollo, porque analíticamente supone un gran reto, y aplicación, porque hay que hacer camino andando. Yo siempre he pensado que para qué vamos a inventarnos problemas a resolver en el laboratorio si existen tantos en la vida real.

El problema de la metabolómica es que es relativamente fácil obtener resultados, pero es muy difícil y costoso obtener resultados fiables y si no se hace un trabajo muy riguroso las capacidades de la metabolómica se acabarán poniendo en tela de juicio, así que en gran parte el futuro de la metabolómica depende del rigor que se imponga en los protocolos de trabajo y de la necesidad de validar los resultados o las hipótesis generadas. Otro aspecto a tener en cuenta es que la metabolómica debería emplearse en la etapa de descubrimiento, pero no se trata de trasladar esa metodología tan sofisticada a la clínica, la metabolómica tiene por objetivo descubrir biomarcadores o rutas alteradas sobre las que actuar, pero después habría que desarrollar instrumentos rápidos de medida para llevar los resultados a la práctica clínica.

La metabolómica no compite con otras ómicas, las complementa, puesto que cuanto mayor información tengamos sobre un sistema en estudio mayor es la capacidad de descubrir, pero hay muchos motivos por los que yo creo que la metabolómica tiene un valor especial, pero los voy a resumir en una sola frase de Francis Crick en una entrevista: “Si yo empezara ahora un PhD haría metabolómica”.

 

Perfil biográfico

Coral Barbas

CEMBIO (Centro de Metabolómica y Bioanálisis), Facultad de Farmacia, Universidad San Pablo CEU, Madrid

Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

La Prof. Coral Barbas es actualmente catedrática de Química Analítica en la Facultad de Farmacia de la Universidad San Pablo CEU, Madrid, y directora del Centro de Metabolómica y Bioanálisis (CEMBIO) en esta Facultad. También es directora de la Escuela Internacional de Doctorado CEU (CEINDO); profesora visitante en el Imperial College de Londres (Departamento de cirugía y cáncer), y en la Universidad Médica de Bialystok. Anteriormente fue vicerrectora de investigación en la Universidad San Pablo CEU y Marie Curie Fellow en el Kings College de Londres. Es autora de más de 200 artículos en revistas indexadas, ha dirigido 17 tesis que han recibido la máxima calificación. Sus premios incluyen la medalla al mérito de la Universidad Médica de Bialystok y fue nombrada en 2016 una las 50 mujeres más influyentes en química analítica en el mundo por la revista The Analytical Scientist. El más reciente ha sido el premio 2018 de la Sociedad Belga de CC. Farmacéuticas.

Socios Protectores