Metabolómica e integración multiómica en organismos unicelulares: hacia la comprensión de sistemas biológicos / David Rojo Blanco; dirigida por Coral Barbas Arribas.
- Autores: David Rojo Blanco
- Directores de la Tesis: Coral Barbas Arribas (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad CEU San Pablo ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carmen del Águila de la Puente (presid.), María Ángeles López Gonzálvez (secret.), Ramon Rosselló Mora (voc.), José Luis García Lopez (voc.), Manuel Ferrer Martínez (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Repositorio Institucional CEU
- Resumen
La metabol[n]ómica, disciplina ómica encargada del estudio del metaboloma, fue definida por Jeremy K. Nicholson como ¿the quantitative measurement of the dynamic multiparametric metabolic response of living systems to pathophysiological stimuli or genetic modification¿, si bien el primero en usar dicho concepto fue Stephen G. Oliver. Desde estos trabajos iniciales publicados a finales de la década de los noventa hasta la actualidad, la metabolómica ha vivido una franca expansión. La aplicación de este enfoque holístico a un cada vez mayor número de campos ha implicado que para el análisis metabolómico se desarrollen diferentes estrategias según cual sea el caso de estudio. Siguiendo la opinión de Alberto Valdés y Warwick B. Dunn distinguiríamos cuatro situaciones: análisis dirigido, análisis del perfil metabólico, análisis de la huella metabólica (del ingl. metabolic fingerprinting, consiste en la obtención global de las señales correspondientes a los metabolitos presentes en la muestra, pudiéndose establecer diferencias y/o similitudes entre los individuos a través de un análisis conjunto y multivariante de estas señales) y análisis metabonómico. Aunque inicialmente la metabolómica y la metabonómica representaron distintos enfoques para el estudio de los metabolitos, hoy en día no existe una distinción clara entre ambas. De hecho, la Sociedad Metabolómica establece que el término metabolómica engloba al de metabonómica, así como a las definiciones anteriores. En esta línea de simplificación conceptual se optó por mantener solo la distinción básica entre análisis dirigido (englobando los dos primeros casos) y fingerprintring (agrupando a los dos últimos). El objetivo de la presente tesis doctoral ha sido la exploración, desde distintas aproximaciones, de las diversas posibilidades de la metabolómica al servicio del estudio de varios organismos unicelulares. En el primer capítulo se ha abordado un caso de análisis dirigido en el cual se ha buscado la detección y estimación del contenido tanto de betaína como de acetato, todo ello dentro del marco planteado para el estudio de la vida microbiana de la fosa marina Medee. El capítulo dos es un trabajo enfocado desde la óptica del fingerprinting. En él nos ocupamos del estudio del efecto del tratamiento antibiótico sobre la microbiota intestinal. En los capítulos tres y cuatro se han explorado dos ejemplos del potencial de la combinación de ambas perspectivas cuando, tras un análisis por fingerprinting, se realice una búsqueda dirigida de ciertos biomarcadores. En esta línea, en el capítulo tres, se ha ahondado en las causas de la resistencia de Leishmania spp. al tratamiento con antimoniales así como en su mecanismo de acción para, a continuación, monitorizar el flujo de 13C y así contrastar la hipótesis planteada sobre su origen metabólico. Finalmente, en el capítulo cuatro, se han estudiado las diferencias en el metabolismo microbiano de distintas zonas contaminadas del mar Mediterráneo y del mar Rojo para, en un segundo paso, cuantificar relativamente los compuestos implicados en dicho proceso. En relación al primer capítulo, los resultados del análisis de las concentraciones de betaína y acetato junto con datos de secuenciación han servido para plantear un modelo hipotético que explique cómo ha lugar la vida bajo las extremas condiciones existentes en ambientes como el de la fosa mediterránea Medee (hipersalinidad, ausencia de luz y escasa presencia de oxígeno). Siendo este un ecosistema estratificado por la concentración salina, la mayor parte de su biomasa se concentra en las capas superiores próximas a la interfaz donde la disponibilidad de betaína permite su reducción por las arqueas del grupo KB1, a posteriori suministradoras de trimetilamina para la biosíntesis de metano realizada por las bacterias MSBL1. El análisis dirigido de estos metabolitos ha servido para demostrar el potencial de la metabolómica como herramienta complementaria aplicada al estudio de complejos ecosistemas para cuya completa descripción se requiere de una aproximación holística multidisciplinar. El capítulo dos constituye una evidencia empírica pionera sobre la posibilidad de la integración de distintos datos ómicos (genómica, proteómica y metabolómica) aplicados al estudio de una situación biológica concreta: la evolución de la microbiota y de sus relaciones con el individuo hospedador durante un tratamiento antibiótico con betalactámicos. El modelo construido viene a apuntar en la dirección de la producción de profundas alteraciones en ambos factores durante la administración de los fármacos, para, una vez concluida la pauta posológica, retornarse a una situación más o menos similar a la de partida. Con todo, a pesar de lo atrayente de estas conclusiones, estas deben ser matizadas antes de su generalización pues han sido obtenidas a partir de datos procedentes de un único paciente. Los resultados recogidos en el capítulo tres demuestran la necesidad de un enfoque multiplataforma para lograr una cobertura del metaboloma tan completa como sea posible, detectándose un tipo u otro de compuestos según la técnica utilizada. Asimismo, se evidencia el potencial explicativo de la metabolómica en cuanto a herramienta bioanalítica per se, capaz de generar un modelo explicativo en respuesta a las preguntas sobre el mecanismo de acción del Sb y la generación de resistencias por Leishmania (L.) infantum. En este sentido los resultados confirman uno de los mecanismos propuestos por la bibliografía para explicar la actuación del Sb (III) vía perturbación de la síntesis de tripanotión disulfuro. Asimismo apuntan hacia una novedosa explicación del fenómeno de la resistencia, que estaría causada por un aumento permanente de los niveles de arginina y sus subproductos. El rol central del metabolismo de este aminoácido quedó confirmado por la marcación con 13C de la ruta de las poliaminas. Finalmente, en el capítulo cuatro, se expone como los ambientes marinos contaminados y la actividad bioquímica que en ellos tiene lugar constituyen un tema crucial, no solo en aras de una posible biosolución del problema, sino por la comprensión per se de lo que allí está aconteciendo. Para ello se requiere de un estudio ómico global, demostrándose como, lo que a nivel teórico es esperable, se constata en la práctica. Así queda de manifiesto como a partir de datos de secuenciación genética, que es el nivel de regulación más alto en la jerarquía funcional, es posible predecir tanto la actividad enzimática como la metabólica, reconstruyéndose de este modo las rutas biodegradativas de cada uno de los sistemas. En esta línea, lo reseñable es el uso la metabolómica, tanto desde su óptica de fingerprinting como desde la del análisis dirigido, para cubrir con ella la validación de los resultados. De este modo se concluye como la caracterización de cada uno de los ambientes no depende en primer término de las características geoquímicas de los mismos, sino de las poblaciones microbianas que allí habitan y, por ende, del conjunto de genes que les permiten llevar a cabo tal o cual proceso bioquímico. Dado que la diferencia principal entre cada una de las muestras viene marcada por el tipo de contaminación es lícito suponer que es este factor el determinante en el condicionamiento de las especies bacterianas que allí habitan. En todo ello, se observa como el trabajo desarrollado ha centrado sus esfuerzos en la exploración de las capacidades analíticas de diversas técnicas al servicio de la metabolómica, tanto desde la perspectiva del fingerprinting como de la del análisis dirigido. Así, a lo largo de cuatro capítulos, ha sido posible contribuir a la explicación de aquello que está pasando en los distintos sistemas biológicos estudiados, cuyo denominador común han sido los organismos unicelulares. En tanto que, a nivel particular, ya han sido expuestas diversas conclusiones individuales para cada uno de los epígrafes, nos centraremos en señalar los aspectos generales que se ubican por encima de las anteriores. En primer lugar ha de remarcarse la necesidad de la combinación de varias plataformas analíticas si lo que se desea es una cobertura metabólica global, o al menos tan amplia como sea posible. Cada analito rige un cierto tipo de técnica ideal para su medición, de lo que son ejemplo los capítulos I y IV y, especialmente, el III, en el cual se demuestra de manera rotunda la ventaja de contar con tres plataformas de análisis complementarias tales como GC-MS, LC-MS y CE-MS. En segundo término impera una mención expresa a la potencia explicativa del análisis no dirigido. De ello son buena muestra los capítulos II y III, en los cuales el fingerprinting ha contribuido satisfactoriamente a aumentar el conocimiento sobre dos escenarios biológicos cuyo estudio no se había sesgado con ninguna hipótesis previa. Y, finalmente, es ineludible una última alusión a las consecuencias derivadas del paradigma que rige el dogma central de la biología molecular. Si el DNA está en la base de aquello que es posible que ocurra, si el RNA muestra lo que parece estar ocurriendo y aun cuando las proteínas, particularmente las enzimas, son las herramientas que lo posibilitan; son únicamente los metabolitos los responsables de la situación final, antes y después, de un sistema biológico, estableciendo relaciones de retroalimentación con el resto de niveles de la jerarquía funcional. Por ello, un ser vivo es un todo integrado y es esta la principal conclusión a la que se puede llegar tras recorrer los cuatro capítulos, en los que, en cuatro situaciones radicalmente distintas, ha sido posible alcanzarse a atisbar la convergencia y concordancia de los resultados procedentes de las tres principales disciplinas ómicas; siendo la metabolómica la validación empírica de las conclusiones derivadas de las dos primeras.
