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- 1. NOVA - PUBLICACIÓN CIENTÍFICA ISSN:1794-2370 VOL.1 No. 1 ENERO - DICIEMBRE DE 2003:1-116 ENSAYO 13 La Proteómica, otra cara de la genómica Tobías Mojica Ph.D., Oscar Sánchez y Leonardo Bobadilla Instituto de Genética, Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Departamento de Ingeniería de Sistemas, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. Recibido: 07-07-03; Aceptado: 24-09-03 Las proteínas son lo que uno podría llamar los arquitectos de la vida, pues son cruciales en los procesos celulares de todos los seres vivos. Las proteínas están implicadas en la catálisis de las reacciones químicas celulares, el transporte de moléculas, la transducción de señales, la segregación del material genético, la producción y el manejo de la energía. El programa celular vital necesita del trabajo coordinado de muchos tipos diferentes de proteínas (1). La mayor parte del peso seco de una célula está constituída por proteínas. Parece una tautología, pero tendremos que entender las proteínas antes de que podamos entender la célula. La síntesis de todas las proteínas celulares está anotación bioinformática, se calcula que el 17% de codificada por los genomas. En la actualidad, tene- esas proteínas están involucradas en el metabolismo mos disponibles las secuencias de más de 150 general de la célula de levadura, el 30% funciona en genomas celulares, incluyendo varios de organismos organización celular y biogénesis de organelos y mem- multicelulares (http://www.tigr.org). branas y el 10% en transporte molecular (3). La proteómica es la nueva etapa en la investiga- Los tópicos grandes de la proteómica son los si- ción biológica que emana naturalmente de la genómica guientes: y que incluye la caracterización de la expresión de a. Perspectiva de la empresa, incluyendo la las proteínas codificadas por un genoma y el estable- perspectiva de la relación entre genoma y proteoma. cimiento de sus propiedades funcionales y estructu- b. Fuente y manejo de las proteínas, incluyendo el rales (2). En cierta manera, la proteómica es la con- organismo donante y la extracción y almacenamiento tinuación de lo que se ha llamado la geonómica o cien- de la muestra, etc. cia de los genomas que se ha encargado de estable- c. Separación de las proteínas, incluyendo, como cer la secuencia de muchos genomas. Los genomas en el caso de las proteínas subcelulares, la definen el contenido informacional de los organismos purificación. y, por lo tanto, definen la tipología del organismo. La d. Identificación de las proteínas que se realizan secuencia del genoma no le dice a uno de qué mane- actualmente por espectrometría de masas. ra funciona el organismo; para tener respuestas a la e. Función de las proteínas, lo cual incluye, además pregunta de cómo funciona el organismo es necesa- de la función propiamente dicha, la localización celular, rio estudiar las proteínas, es decir, es necesario acer- interacciones proteína-proteína, determinación de la carnos a la proteómica. Para dar una idea de la com- estructura terciaria, en alto grado alcanzado por plejidad del problema de la proteómica, consideremos cristalografía, la relación entre estructura y función y que el genoma de levaduras tiene 6.225 proteínas cal- modificaciones postraduccionales. culadas por bioinformática y por otros medios. Por www.unicolmayor.edu.co
- 2. 14 NOVA - PUBLICACIÓN CIENTÍFICA ISSN:1794-2370 VOL.1 No. 1 ENERO - DICIEMBRE DE 2003: 1-116 f. Aplicaciones que pueden estar en el área del extracelulares. La proteómica es el estudio de los diagnóstico de las enfermedades humanas y en el proteomas; separa, identifica y caracteriza proteínas descubrimiento de nuevas drogas. a gran escala, define niveles de proteínas g. Aplicaciones en informática que generan mu- celularmente, investiga complejos de proteínas, eluci- chas anotaciones basadas en la homología de las se- da funciones, caminos metabólicos e interrelaciones. cuencias, la construcción de bases de datos, genera- La proteómica tiene que analizar un número muy gran- ción de algoritmos para el análisis y, por último, la de de proteínas (4) (en organismos eucarióticos es estandarización. usualmente un número mayor que el número de genes h. Otras áreas de importancia humana que inclu- presentes en el genoma); también se encarga de la yen la colaboración internacional, consideraciones caracterización funcional de tales proteínas y de sus éticas, legales, papel de la sociedad en la construc- relaciones estructurales. En esencia, podemos decir ción y uso del conocimiento nuevo que resulte. que la genómica produce las estructuras primarias de Gran parte de la empresa de investigación en bio- las proteínas, mientras que la proteómica se encarga- logía contemporánea es llevada a cabo por países rá de producir las estructuras secundaria, terciaria y avanzados, con economías y personal adecuado. La cuaternaria. proteómica no es la excepción. Los Institutos Nacio- La información fluye en forma lineal del DNA nales de Salud de los Estados Unidos financian una genómico al RNAm por dos conjuntos de procesos actividad investigativa llamada la Iniciativa de la Es- contiguos llamados transcripción y procesamiento y tructura de Proteínas, llevada a cabo en 9 centros sigue fluyendo linealmente del RNAm a la proteína, universitarios distribuidos por toda la unión. Este es mediante un conjunto de procesos llamados traducción un esfuerzo coordinado a 10 años para producir es- (5). El resultado de ese flujo de información lineal es tructuras completas de 10.000 proteínas. La activi- la estructura primaria de la proteína y de todas las dad está en sus comienzos y se considera un blanco proteínas de un genoma. A partir de la estructura importante y difícil llegar a la cristalización de 200 primaria de la proteína, ocurren tres hechos en tres proteínas por año. Laboratorios de industrias que es- dimensiones: todas las proteínas se pliegan en peran ganar dinero con el desarrollo en conocimiento estructura secundaria y terciaria, algunas sufren también han proliferado recientemente. El problema modificaciones postraduccionales y algunas adquieren radica en que hay casi tantas proteínas en la Tierra estructura cuaternaria. Hasta hoy, el pensamiento como estrellas en el cielo. La iniciativa de la estruc- genético ha sido lineal. La proteómica empieza donde tura de proteínas ha llevado al desarrollo de nuevas empiezan los eventos que tenemos que entender en tecnologías que incluyen estudios estructurales deta- tres dimensiones. Ni la estructura primaria del gene llados por nanotecnologías y procesos rápidos de cris- ni la del RNAm ni de la proteína misma dan talización. Esta es claramente una muestra de la enor- indicaciones claras de la naturaleza del producto me dimensión de la tarea, que contrasta con el reza- proteico ni de su función; por lo tanto, la primera tarea go tecnológico de nuestros países. de la proteómica consiste en identificar las proteínas Podemos entonces preguntarnos ¿qué es un producidas por un genoma. Es decir, principalmente proteoma? Se trata del complemento proteínico ex- problemas tecnológicos frente a cómo se pueden presado por un genoma o por un tejido. Los proteomas separar y visualizar las proteínas en un proteoma, son dinámicos y cambian con el tiempo, con el esta- cómo se puede utilizar esta información para estudiar dio del desarrollo y con las condiciones intra y complejos proteicos y caminos metabólicos, cómo se
- 3. LA PROTEÓMICA, OTRA CARA DE LA GENÓMICA: 13-16 15 pueden identificar proteínas separadas y cómo se iónicas y TOF). Las combinaciones de esta técnica pueden caracterizar en detalle tales proteínas. que más se utilizan son las siguientes: Las principales tecnologías en desarrollo son las • MALDI-TOF-MS (Matrix Assisted Laser siguientes: tecnología reproducible de electroforesis Desorption Ionization - Time Of Flight Mass en geles en 2D; tecnología de tinción y análisis de los Spectrometry) o Espectrometría de masas, basada geles; tecnología para la identificación de las proteí- en la desorpción ionización asistida por una matriz nas, tal como la espectrometría de masas (2); tecno- sólida de rápida ocurrencia. Esta identificación de logías de manejo electrónico, tales como bases de proteínas ocurre cuando éstas están inmovilizadas en datos (de genomas y de proteínas); y, también, una membrana o en una matriz de un gel. La técnica algoritmos de búsqueda y de recuperación de datos. es de baja eficiencia. El reto principal de la proteómica es la automatización • MALDI o ESI-MS (ElectroSpray Ionization y la integración de las tecnologías mencionadas. Este Mass Spectrometry o Espectrometría de masas por ) es un reto cuya respuesta saldrá, principalmente, de ionización en electroatomizado. Esta técnica analiza la bioinformática. proteínas inmovilizadas en membranas o eluidas y di- La electrofóresis es la técnica central para anali- geridas en los geles. zar un número grande de proteínas al mismo tiempo Los datos que salen de la técnica de espectrometría (3). La técnica electroforética es relativamente anti- de masas son fingerprints o “huellas digitales” de gua, fue inventada por Tiselius hace más de 50 años péptidos separados por masa. La identificación de las y, en 1956, Smithies y Poulick describieron el primer proteínas se hace por aprendizaje de máquina, refi- gel en dos dimensiones, mientras que en 1975, Patrick riendo los patrones particulares de espectrometría de O‘Farell optimizó el proceso de separación en 2D, masas a una base de datos que sirve para entrena- técnica que se utiliza hoy en día. En la primera di- miento. mensión se efectúa el isoelectroenfoque utilizando Un objetivo más o menos inmediato de la gradientes inmovilizados de pH, es decir, las proteí- proteómica es la aplicación de las tecnologías y datos nas se separan por su carga. En la segunda dimen- a la investigación en clínica humana. Otras áreas de sión, la separación de proteínas se hace en presencia menor desarrollo en el conocimiento incluyen los es- de SDS y las proteínas se separan por su masa. Se tudios ambientales, investigación en agricultura y en pueden separar miles de proteínas en un solo gel. La veterinaria, las cuales podrán usar los desarrollos de correcta preparación de la muestra es frecuentemente la proteómica solo de mediano a largo plazo. Un ob- el paso más importante para un resultado exitoso. jetivo claro de la proteómica clínica es el descubri- Las manchas en el gel son extraídas y cada una es miento de drogas clínicamente importantes, es decir, tratada con tripsina para producir un patrón caracte- blancos potenciales para desarrollo farmacológico, y rístico de péptidos, y éstos se identifican por mayor distancia entre los ricos y los pobres. espectrometría de masas, una técnica que mide la En la actualidad, la computación es un componente masa (en este caso, la masa de los péptidos produci- esencial de la investigación en biología. La masa de dos por digestión con tripsina) de las moléculas con los datos producidos es tan grande que no se puede ni gran precisión. Los espectrómetros de masa tienen siquiera “mirar” sin la ayuda de un computador. Quizás dos partes: una fuente de iones (como por ejemplo, la bioinformática nunca haya enfrentado un problema MALDI o ESI, ver el siguiente párrafo) y un aparato de magnitud tan grande. Necesitamos bases de datos medidor (como por ejemplo, cuadrupolos, trampas www.unicolmayor.edu.co
- 4. 16 LA PROTEÓMICA, OTRA CARA DE LA GENÓMICA: 13-16 integradas, eficientes para entrar y sacar datos; así Conclusión mismo, necesitamos métodos computacionales La definición más amplia de proteómica puede ser avanzados tales como reconocimiento de patrones y la más útil; de hecho cualquier definición de otros enfoques de aprendizaje de máquina, para proteómica debe llegarle al alma a los biólogos y los analizar y entender los datos. científicos de la computación. La proteómica repre- La computación suministra herramientas podero- senta la línea de conocimiento que quiere establecer sas para detectar relaciones sutiles entre los datos y las identidades, las cantidades, las estructuras, las fun- sugiere hipótesis y rutas para la validación experi- ciones bioquímicas y celulares de todas las proteínas mental. Los genetistas antiguos hacían genética im- de un organismo, órgano u organelo, y las formas como pulsada por hipótesis, mientras los nuevos plantean las anteriores propiedades varían en el espacio y el hipótesis basados en los datos del computador, lo cual tiempo y con el estado fisiológico y anímico. Una ta- añade así una dimensión nueva a la intuición humana rea de mucho tiempo que pueden dejar más atrasa- capacitándonos para obtener entendimientos adicio- dos que antes. nales. Quienes puedan integrar la computación a sus tareas investigativas tendrán mucho éxito. Para apro- Referencias vecharnos de la riqueza de los datos necesitamos dos 1. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, Watson JD. Molecular biology of the cell. New York: Garland Publishing; tipos de desarrollos computacionales: 1994. 1. Infraestructura de las bases de datos que per- 2. Anderson NL, Anderson NG. Proteome and proteomics: new technologies, new concepts and new words. Electrophoresis mitan almacenamiento y recuperación eficientes, que 1998;19:1853-61. sea biológicamente intuitiva y con una interfase que 3. Blackstock WP, Weir MP. Proteomics: quantitative and physical mapping of cellular proteins. Trends in Biotech permita la comunicación entre bases de datos y cien- 1999;17:121-7. tíficos de diferentes disciplinas. 4. Kenyon GL, DeMarinib DM, Fuchs E, Galas DJ, Kirsch e JF, 2. Sistemas inteligentes, agentes y software para Leyh TS, et al. Defining the mandate of proteomics in the post-genomics era: workshop report. Molecular & Cellular discernir las relaciones entre los datos, de tal manera Proteomics 2002;1:763-80. Disponible en: URL: http:// www.nap.edu/catalog/10209.html que se puedan formular hipótesis junto con experi- 5. Lodish H, Berk A, Zipursky S, Matsudaira P, Baltimore D, mentos de validación. Debemos esperar que estos Darnell J. Molecular cell biology. New York: W.H. Freeman desarrollos en bioinformática ayuden a responder pre- and Company; 2000. guntas fundamentales de toda la biología, incluyendo 6. Wilkins M. editor. New frontiers in functional genomics. New York: Springer Verlag; 1997. preguntas que aún no se han formulado. Podemos in- cluir en este punto la necesidad de entrenar la nueva generación de científicos multidisciplinarios, en lo cual la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca pue- de hacer una contribución importante. www.unicolmayor.edu.co