Metabolo…¿qué?

Los retos de la metabolómica

Guillermo Peris
Jan 6, 2015 · 8 min read

Durante la última década una nueva disciplina está irrumpiendo con fuerza en los centros de investigación: se trata de la metabolómica. Desde la aparición del primer artículo en el que se utilizó este término en 1998 el número de publicaciones ha ido aumentando año a año.

Búsqueda de artículos en Pubmed con la palabra “metabolomics” (24–12–2014).

Recientemente he tenido la oportunidad de empezar a colaborar con un grupo de metabolómica, lo cual quiero aprovechar para contaros de una forma sencilla (espero) en qué consiste esta disciplina.

Qué es la metabolómica

Los metabolitos son las moléculas que participan en las rutas metabólicas de los sistemas biológicos, bien como punto de partida o llegada, o bien como productos intermedios. Son compuestos químicos resultado de las reacciones enzimáticas llevadas a cabo por las proteínas, las cuales se construyen a partir de la información del ADN mediante una transcripción previa a ARN. Las disciplinas que estudian cada uno de estos componentes se conocen como ciencias ómicas y se indican en la siguiente figura.

El objetivo de la metabolómica sería caracterizar de forma global las moléculas pequeñas de los sistemas biológicos. Mientras que la genómica, transcriptómica y proteómica permiten un estudio más genérico de células, tejidos y organismos, un análisis de los metabolitos proporciona una medida del estado fenotípico del sistema biológico bajo estudio en un momento determinado y bajo unas condiciones concretas. Además no podemos inferir la información sobre los sustratos y compuestos intermedios de las reacciones enzimáticas a partir del ADN, mientras que (al menos en teoría) sí que podemos obtener de esta fuente de información la secuencia de las proteínas.

¿Qué información puede darnos la metabolómica? Pues puede tener interés en una gran cantidad de campos científicos (por ejemplo, lee esto y esto), así que me limitaré a dar unos casos concretos. En medicina puede ser útil para proporcionar un perfil metabólico de líquidos corporales como la orina, plasma o saliva. Por ejemplo, se han realizado estudios de la composición del plasma tras una isquemia miocárdica o en pacientes pre-diabéticos. También permitiría obtener la composición de varios compuestos de interés en orina con una sola prueba. En la siguiente página puedes encontrar (en inglés) un gráfico interactivo con diversas aplicaciones médicas de la metabolómica.

La metabolómica también ha captado el interés de la fisiología vegetal. Un análisis metabolómico permitiría realizar estudios de control de calidad de cosechas, análisis de respuesta ante condiciones de estrés, etc. Otro campo en auge es el descubrimiento de nuevos medicamentos, ya que se estima que un gran número de los metabolitos de las plantas son desconocidos y podrían tener un interés potencial en el tratamiento de enfermedades.

Cómo medir metabolitos: espectrometría de masas

Las dos técnicas experimentales más utilizadas para el análisis de metabolitos son la resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectrometría de masas (MS, del inglés mass spectrometry). Esta última es la más utilizada por su mayor precisión, así que me centraré en ella en este artículo.

El espectrómetro de masas es capaz de medir la relación entre la masa (m) y la carga (z) de una molécula. Dado que para ello se necesita que las moléculas tengan una carga neta un primer paso consiste en la ionización de las moléculas (M) añadiéndoles un protón (MH+) o eliminándolo (MH-). Estos iones son acelerados mediante un campo eléctrico y sus trayectorias se curvan mediante un campo magnético. Esta curvatura depende de su relación masa-carga (m/z), lo cual permite determinarla al chocar los iones contra un detector que cuenta el número de impactos. Puedes encontrar una descripción más detallada con fórmulas de física básica en este enlace, del que he extraído la siguiente imagen.

A partir de estos datos se genera un espectro de masas en el que se representa la intensidad (número de impactos) frente a la relación m/z (a partir de ahora, por simplicidad, denominaré masa a esta relación).

Espectro teórico del benceno construido en http://www.sisweb.com/mstools/isotope.htm

¡Perfecto, ya tenemos la masa de nuestra molécula! Pues no cantemos victoria, porque esta masa sirve más bien de poco. Te explicaré por qué. La gran mayoría de los metabolitos de interés están compuestos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (símbolos químicos CHONPS) y diferentes moléculas con distinta composición atómica pueden tener aproximadamente el mismo peso molecular (hay que tener en cuenta que los espectrómetros presentan un cierto error en la medida de masa). Por ejemplo, sería muy sencillo confundir las moléculas ciclopentanona (C5H8O- peso 84.1164) y amino butironitrilo (C4H8N2- peso 84.1197).

Por suerte la naturaleza nos puede ayudar en parte a resolver este problema. Al haber distintos isótopos de los elementos CHONPS, el espectro de masas presenta diferentes picos en función de la distribución isotópica natural de dichos elementos. Estos picos son sencillos de detectar por aparecer separados por una unidad de masa entre ellos (mira la siguiente figura). Existen algoritmos que a partir de estos espectros de distribución isotópica permiten conocer de forma precisa la fórmula química de la molécula analizada.

Espectro teórico de la nicofuranosa construido en http://www.sisweb.com/mstools/isotope.htm

Si piensas que ahora ya tenemos caracterizada nuestra molécula, te equivocas. Que conozcamos su fórmula química no implica que conozcamos su estructura. Por ejemplo, las dos moléculas de la figura de la izquierda tienen la misma fórmula (C5H12) pero su estructura es completamente distinta: son isómeros.

Rompiendo las moléculas: espectros de fragmentación

Aquí el problema adquiere una mayor complejidad. Para que te hagas una idea, deja que lo reformule utilizando una construcción hecha con piezas de lego. Imagina que queremos determinar la estructura de la siguiente figura (que obviamente no conocemos) y para ello únicamente tenemos como información el peso de la estructura y el número de piezas (y su peso individual) de cada tipo que la componen. ¿Sabrías con esta información que tu estructura es un pato?

¿Cuál es el siguiente paso? Pues vamos a dividir nuestra molécula en trozos rompiendo algunos de sus enlaces y a pesar los trozos. En espectrometría de masas esto se puede conseguir con distintos medios, como la ionización por electrospray. De esta forma no sólo medimos la masa de la molécula de interés, sino también la de los fragmentos (cargados) resultantes. A continuación tienes como ejemplo el espectro de masas de la epicatequina, un metabolito secundario que aparece en algunas plantas y en el grano de cacao. El ión molecular inicial sería el que se presenta en la esquina superior derecha del espectro, mientras que el resto de estructuras que se muestran serían fragmentos de dicho ión.

Imagen tomada de Wolf et al. BMC Bioinformatics 2010 11:148 doi:10.1186/1471–2105–11–148.

Esta fragmentación nos puede ayudar a identificar la molécula original de diversas formas. Si identificamos algunos de sus fragmentos (a partir de su masa y su distribución isotópica, por ejemplo) podemos tener una idea aproximada de qué molécula proceden. Y podemos comparar este espectro de fragmentación con los espectros conocidos de otras moléculas. Es de esperar que moléculas semejantes den lugar a espectros semejantes. Por suerte, ya existen bases de datos con espectros de fragmentación que permiten comparar los nuevos espectros de masas con los de moléculas ya estudiadas.

Cuando una molécula se divide en dos fragmentos es habitual que uno de ellos se quede con la carga original y el otro no presente carga neta. A estos fragmentos sin carga se les conoce como pérdidas neutras (neutral losses) ya que al no poseer carga neta no son detectados por el espectrómetro. Sin embargo podemos detectar su presencia en el espectro de fragmentación como diferencias entre picos, lo cual también ayuda a la identificación del compuesto. En el espectro de la epicatequina, por ejemplo, es fácil detectar algunas de estas pérdidas neutras. Te muestro algunas a continuación.

A estas alturas ya estarás imaginando que interpretar un espectro de masas no es nada sencillo. Normalmente esta interpretación la llevan a cabo de forma manual expertos mediante la consulta de tablas de pesos moleculares y bases de datos de espectros online, lo cual supone una inversión de tiempo de muchas horas por cada espectro. Desde hace apenas una década se está trabajando con programas de ordenador que permitan dilucidar una estructura molecular a partir de su espectro de fragmentación, pero aunque se ha avanzado mucho los resultados distan mucho de ser espectaculares.

Para que te hagas una idea de la dificultad que supone implementar programas que determinen la estructura química de un compuesto a partir de su espectro de masa, te voy a hablar de la competición CASMI. Esta competición se inició en 2012 y pretende ser un punto de encuentro y comparación de las diferentes estrategias para la identificación de compuestos químicos mediante la espectrometría de masas. Los organizadores publican un conjunto de espectros experimentales cuya identidad no se facilita y los participantes disponen de dos meses para dar una solución a cada uno de los retos. Cada equipo participante propone como solución una lista priorizada de posibles moléculas que explicarían cada espectro, siendo la primera solución la más probable.

Ya puedes imaginar que los equipos participantes disponen de todas las herramientas posibles para dar con la mejor solución posible a cada uno de los retos, desde su propio software, a acceso a bases de datos, ordenadores de altas prestaciones, etc. Pues bien, en el último concurso el equipo ganador (y el único que acertó con la primera de las soluciones en cada uno de los retos) no utilizó ningún software: ¡lo hizo a mano!


En esta introducción, por cuestión de espacio, he obviado muchos detalles que añaden una mayor complejidad al problema. Por ejemplo, en metabolómica es habitual analizar una muestra compleja y no una simple molécula. En ese caso se requiere una separación previa de las distintas moléculas de la muestra mediante una cromatografía líquida (sistemas LC-MS) o gaseosa (sistemas GC-MS). También existen distintos métodos de fragmentación y distintos sensores para detectar los impactos de los iones generados. Esto hace que los espectros obtenidos con distintos espectrómetros (e incluso en varias medidas con el mismo equipo) puedan ser muy distintos.


Esta entrada participa en el XLIII Carnaval de Química alojado en el blog La Ciencia de la vida de @biogeocarlos.


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El blog de Melquíades

«”La ciencia ha eliminado las distancias”, pregonaba Melquíades. “Dentro de poco, el hombre podrá ver lo que ocurre en cualquier lugar de la tierra, sin moverse de su casa.”» Cien años de soledad, Gabriel García Márquez.

Guillermo Peris

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Aprendiendo a divulgar ciencia y desmontar pseudociencias. A veces escribo cuentos. Y a veces bailo. Cientifista (eso me dicen).

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