Modulo 4 – Metabolómica: estudio de la respuesta de los microorganismos a los factores estresantes ambientales

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Metabolómica y su contribución a la identificación y cuantificación de metabolitos en la célula y al descubrimiento de mecanismos de procesos celulares básicos.

La metabolómica es una de las ciencias «ómicas» más recientes, junto con la proteómica, la genómica y la transcriptómica. Estas tres ciencias están estrechamente relacionadas, con el estudio del ADN en la célula (genómica), el ARN y las diferencias en la expresión del ARNm (transcriptómica), complementadas por la metabolómica con el estudio de todo el conjunto de compuestos de bajo peso molecular presentes en una célula en un momento dado (metaboloma).

Figura 4.1. Ejemplo de modelo de red metabólica para Escherichia coli

La metabolómica es una nueva rama de la biología, la medicina y las ciencias medioambientales que se centra en el estudio de los metabolitos, pequeñas moléculas presentes en las células, los tejidos y los fluidos biológicos de los organismos y producidas por los procesos metabólicos del organismo (Fig. 4.1). Se centra en el análisis del perfil metabólico de un organismo determinado para comprender los cambios en la actividad metabólica de las células, los tejidos o todo el organismo en diferentes condiciones fisiológicas o enfermedades.

Los metabolitos (moléculas pequeñas) son aminoácidos, hidratos de carbono, lípidos, nucleótidos y otros productos finales o intermedios del metabolismo que desempeñan un papel clave en los procesos celulares. Son los productos finales de los procesos que tienen lugar en la célula y, por lo tanto, el metaboloma incluye todos los metabolitos de una célula, tejido u organismo biológico. Los metabolomas desempeñan diferentes funciones, como proporcionar energía (glucosa), mantener la estructura celular, indicar la actividad catalítica o los efectos estimulantes e inhibidores de las enzimas y proteger al organismo.

La metabolómica es muy importante, teniendo en cuenta el papel de los metabolitos en la vida y las funciones de las células. Proporciona información sobre el perfil de la muestra y los compuestos que contiene en un momento definido y en condiciones ambientales específicas. Es una información importante sobre el estado fisiológico del organismo. La metabolómica puede determinar las diferencias entre los niveles de miles de moléculas entre un organismo sano y uno enfermo, entre cultivos tradicionales y cultivos modificados genéticamente, etc.

La metabolómica estudia el fenotipo bioquímico completo (o metabotipo) de cualquier biofluido, célula, tejido u organismo, tanto cualitativa como cuantitativamente. Los factores genéticos y ambientales pueden influir en el estado de las moléculas pequeñas, los procesos químicos y sus interacciones en una célula, tejido u organismo biológico (metaboloma). La metabolómica pretende descubrir metabolitos determinando todos los metabolitos en muestras biológicas (por ejemplo, sangre, orina, tejidos), evaluando sus concentraciones en diferentes condiciones o enfermedades, y trazando rutas metabólicas para entender cómo cambian las reacciones bioquímicas en las células.

Los métodos más utilizados en metabolómica incluyen diversas técnicas analíticas para medir los niveles de metabolitos (Tabla 4.1.). La aplicación de la metabolómica abarca diversos campos (Tabla 4.2.).

Tabla 4.1. Técnicas analíticas utilizadas para medir los niveles de metabolitos.

Método	Aplicación
Espectrometría de masas (EM)	Permite determinar con precisión la masa de las moléculas y su composición
Resonancia magnética nuclear (RMN)	Identifica y cuantifica metabolitos
Cromatografía de gases (GC)	Separa los metabolitos volátiles y semivolátiles

 

Tabla 4.2. Campos de aplicación de la metabolómica.

Sector económico	Aplicación
Medicina	– Establecer relaciones causa-efecto entre la salud humana, las vías metabólicas y las enfermedades; – Apoyar la medicina de precisión y los enfoques terapéuticos individualizados. – Desarrollar biomarcadores para el diagnóstico y la previsión de diversas enfermedades, profundizando en el conocimiento de la bioquímica del organismo y sus respuestas a estímulos externos.
Industria farmacéutica	– Determinar los efectos de los fármacos en el metabolismo; – Descubrir nuevos compuestos bioactivos con potencial para aplicaciones farmacéuticas.
Agricultura	– Evaluar la salud de plantas, animales y suelos y desarrollar nuevos métodos para aumentar el rendimiento; – Evaluar las respuestas metabólicas de las plantas a diversos factores de estrés y desarrollar variedades de cultivos resistentes a enfermedades, plagas o condiciones climáticas extremas; – Optimizar las prácticas agrícolas analizando los metabolitos de las plantas para un uso más eficiente de los recursos.
Industria alimentaria	– Mejorar la salud alimentaria evaluando su calidad y seguridad.
Ecotoxicología	– Evaluar el impacto de las sustancias químicas ambientales en el metabolismo de los organismos, valorar el riesgo de los contaminantes y desarrollar estrategias de protección de los ecosistemas.

1.2. Potencial de la metabolómica medioambiental

La metabolómica ambiental está orientada a resolver importantes problemas relacionados con el ecosistema y revela un gran potencial para:

• Identificación de los perfiles metabólicos que producen los organismos en respuesta a diversos factores ambientales;
• Vigilancia de la contaminación tras identificar y cuantificar las sustancias tóxicas presentes en el medio ambiente. El análisis de metabolitos en los organismos indica la presencia de contaminantes como metales pesados, pesticidas y otras sustancias químicas.
• Desarrollo de nuevas tecnologías para depurar el agua y el suelo de sustancias contaminantes, ya que algunas bacterias pueden degradar sustancias tóxicas mediante sus procesos metabólicos.
• Evaluación del estrés ambiental y de la influencia de diversos factores como el clima, las condiciones del suelo, la contaminación y otros factores de estrés ambiental sobre el metabolismo de plantas, animales y microorganismos en condiciones naturales.
• Identificación de biomarcadores de estrés para dar cuenta de la respuesta de los organismos a los cambios medioambientales, como adaptaciones fisiológicas o efectos toxicológicos. Identificación de metabolitos específicos que sirvan como indicadores de la salud del ecosistema.
• Identificación de mecanismos de adaptación – adaptación del metabolismo de los organismos para sobrevivir en diferentes entornos, prediciendo su resistencia a futuros cambios climáticos u otros retos medioambientales.
• Seguimiento de la salud de los ecosistemas mediante el análisis de los perfiles metabólicos de diferentes especies, la evaluación de la salud general de los ecosistemas y la identificación de problemas o amenazas medioambientales, como la contaminación o el cambio climático.

La metabolómica ambiental sigue siendo un campo relativamente nuevo en Bulgaria, como en muchos otros países, pero tiene un gran potencial de desarrollo y aplicación en diversos contextos científicos y prácticos.

1.3. Retos de la metabolómica ambiental en la representación e interpretación de datos

La metabolómica ambiental es un potente enfoque para estudiar las interacciones químicas entre los organismos y su entorno, y genera grandes y diversos conjuntos de datos. La interpretación de los datos suele ser difícil por varias razones:

• Complejidad y heterogeneidad de las muestras: los análisis metabolómicos suelen identificar miles de metabolitos y compuestos complejos desconocidos que están poco estudiados. Las muestras ambientales, como el suelo, el agua o los sedimentos, son muestras heterogéneas de mezclas complejas de compuestos orgánicos e inorgánicos, lo que dificulta su análisis. Además, algunos metabolitos se presentan en bajas concentraciones, lo que dificulta su detección y cuantificación.
• Normalización y reproducibilidad: la aplicación de diferentes metodologías para la extracción, el análisis y el procesamiento de datos puede dar lugar a resultados incomparables debido a la falta de protocolos normalizados. Asimismo, la aplicación de equipos y métodos analíticos diversos repercute en la exactitud y fiabilidad de los datos difíciles de reproducir. Los equipos tienen distinta sensibilidad y alcance. Las señales de fondo procedentes de otras sustancias presentes en las muestras dificultan la identificación de metabolitos específicos.
• Interpretación de los datos – la existencia de isómeros con propiedades químicas similares y la falta de correspondencias en las bases de datos disponibles complica su diferenciación.
• Integración con otros datos «ómicos»: la determinación de la relación entre metabolitos y factores ambientales no siempre conduce a la comprensión de las relaciones causa-efecto. Por ello, la metabolómica se integra con otros datos «ómicos», como la combinación con la genómica, la proteómica o la transcriptómica. La integración de estos diferentes niveles de datos requiere enfoques bioinformáticos sofisticados y una interpretación correcta.
• Presentación de resultados: la dificultad de presentar grandes volúmenes de datos de forma comprensible y accesible y la visualización eficaz de datos multidimensionales requiere a menudo programas informáticos y conocimientos especializados.

Las posibles soluciones a estos retos incluyen el uso de tecnologías analíticas más sensibles y de alto rendimiento, bases de datos y protocolos estandarizados, métodos estadísticos multivariantes y aprendizaje automático para mejorar el análisis y la interpretación. El desarrollo de la metabolómica ambiental depende de la superación de estos retos, lo que permitirá comprender mejor las interacciones de los ecosistemas y su gestión sostenible.

2. DIVERSIDAD METABOLÓMICA DE LOS ECOSISTEMAS

La ecología es una ciencia, una rama de la biología, que estudia las interacciones entre los organismos, así como el entorno en el que viven. El principal objeto de estudio de la ecología son los ecosistemas, redes interconectadas de plantas, animales y otros organismos en una zona geográfica determinada, que dependen unos de otros. La ecometabolómica analiza el metaboloma, el número total de metabolitos, y sus cambios en respuesta a los cambios ambientales.

Mientras que la diversidad genética y de especies son conceptos bien conocidos, la diversidad metabolómica permanece relativamente inexplorada. Representa la diversidad de pequeñas moléculas (metabolitos) en los organismos vivos. Las fuentes de diversidad metabolómica son principalmente los microorganismos del suelo, el agua y las plantas, así como las plantas y los animales que producen metabolitos secundarios para su protección, comunicación y adaptación al medio. Muchos factores influyen en los perfiles metabólicos, como el clima, el tipo de suelo, la disponibilidad de agua, los nutrientes, etc.

La diversidad metabolómica es el resultado de las complejas interacciones entre los distintos organismos de un ecosistema, sus vías metabólicas y las condiciones fisicoquímicas del medio ambiente. Las actividades humanas, el cambio climático y otros factores tienen un impacto significativo en la diversidad metabolómica de los ecosistemas. Por ejemplo, la contaminación por metales pesados puede provocar cambios en el metabolismo de plantas y animales, y el cambio climático puede afectar a la distribución de determinados metabolitos en el ecosistema.

La diversidad metabolómica es fundamental para el funcionamiento de los ecosistemas y su capacidad de adaptación al cambio. Estudiarla ayuda a comprender mejor las interacciones entre especies y la relación entre los factores bióticos y abióticos del medio ambiente, a proporcionar información valiosa sobre la salud de nuestro planeta y a desarrollar estrategias más eficaces para la protección del medio ambiente (Fig. 4.2).

Figura 4.2. Impactos de la diversidad metabolómica del ecosistema.

 

3. METABOLÓMICA Y MICROBIOLOGÍA MEDIOAMBIENTAL

3.1. Estudios metabolómicos de comunidades microbianas naturales

Los microorganismos son las formas de vida más abundantes en casi todos los hábitats de la Tierra. A pesar de su tamaño, pueden causar enfermedades graves, limpiar suelos y aguas contaminados y alterar el clima mundial. La diversidad de microorganismos es impresionante, al igual que su diversidad metabólica, pero aún queda mucho por explorar. Algunos microorganismos prosperan en condiciones extremas. Estudios ecológicos de transcriptómica y proteómica han revelado metabolitos activos en comunidades de extremófilos. Los metabolitos directamente relacionados con su fisiología están menos definidos, ya que los métodos metabolómicos van a la zaga de otras tecnologías ómicas debido a una amplia gama de complejidades experimentales, a menudo relacionadas con la matriz ambiental.

La proteómica y la transcriptómica comunitarias pueden proporcionar información sobre la función potencial de los microorganismos coexistentes in situ. Sin embargo, estos análisis no son posibles para metabolitos de moléculas pequeñas que son fundamentales para el estado fisiológico o fenotípico del organismo. Las comunidades microbianas naturales son ecosistemas complejos compuestos por miles de millones de microorganismos que interactúan entre sí y con el medio ambiente. Estas comunidades desempeñan un papel fundamental en muchos procesos naturales, como la descomposición de la materia orgánica, el ciclo de los nutrientes y los ciclos biogeoquímicos. Para comprender el funcionamiento de estas comunidades se utilizan diversos métodos, entre ellos los estudios metabolómicos.

Los avances en las técnicas analíticas permiten estudiar esta diversidad midiendo simultáneamente miles de metabolitos microbianos conocidos y desconocidos, dando lugar así a la metabolómica microbiana.

3.2. Metametabolómica: análisis del metaboloma colectivo de las comunidades microbianas

La metabolómica microbiana pretende estudiar todos los aspectos del metabolismo microbiano midiendo los metabolitos dentro y fuera de los microbios, ya vivan en monocultivos, en el laboratorio o en comunidades ecológicas complejas. La aplicación de estudios metabolómicos a comunidades microbianas naturales permite obtener información sobre los procesos bioquímicos y las vías metabólicas activas en la comunidad, las interacciones entre microorganismos de distintas especies microbianas y los cambios en el metabolismo comunitario en respuesta a cambios ambientales.

Los estudios metabolómicos de las comunidades microbianas naturales representan un campo de la ciencia en rápido desarrollo que nos ofrece nuevas oportunidades para comprender la complejidad y diversidad del mundo microbiano al:

• Descubrir metabolitos intracelulares y extracelulares clave implicados en procesos celulares, como la homeostasis iónica, el estado redox, el ciclo de nutrientes, la energía y la señalización célula-célula.
• Comprender las funciones de los ecosistemas y cómo contribuyen las comunidades microbianas a su funcionamiento.
• Descubrimiento de nuevos compuestos bioactivos, ya que son una rica fuente de nuevas sustancias con aplicaciones potenciales en medicina, farmacia y biotecnología.
• La vigilancia medioambiental mediante perfiles metabolómicos de las comunidades microbianas puede utilizarse como biomarcadores para evaluar la calidad del medio ambiente.
• Los estudios metabolómicos de las comunidades microbianas se utilizan en:
• El estudio de los microbiomas del suelo mediante la caracterización del perfil metabólico de los microbiomas del suelo y la evaluación de su impacto en la fertilidad del suelo y el crecimiento de las plantas.
• Análisis del microbiota intestinal para la salud humana, la relación entre la composición de la microbiota intestinal y diversas enfermedades, como la obesidad, la diabetes y las enfermedades inflamatorias intestinales.
• Seguimiento de los ecosistemas acuáticos para evaluar el impacto de su contaminación y descubrir nuevos biomarcadores para controlar la calidad del agua.

3.3. Comunidades microbianas naturales: aguas superficiales (nichos ecológicos específicos), aguas subterráneas, suelo, etc.

Dependiendo del entorno, las comunidades microbianas se adaptan a distintos nichos ecológicos. La diversidad de nichos ecológicos es grande debido a las diferencias de luz, temperatura y disponibilidad de nutrientes en el ecosistema. Está regulada de forma natural por los flujos, las fluctuaciones de temperatura y la radiación ultravioleta. Las comunidades microbianas son fundamentales para el mantenimiento de la vida y están estrechamente relacionadas con las propiedades químicas y físicas del medio habitado. El estudio de sus nichos ecológicos ayuda a comprender los procesos globales de los ecosistemas. Existe una gran diversidad de comunidades microbianas en los entornos naturales, tal y como se refleja en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3. Diversidad de las comunidades microbianas en los medios naturales.

Comunidad microbiana	Tipos de microorganismos
Aguas superficiales (ríos, lagos, mares y océanos)	– Los microorganismos planctónicos (bacterias, arqueas, fitoplancton y zooplancton) flotan libremente en la columna de agua. Desempeñan un papel en los ciclos del carbono y el oxígeno. – Los microorganismos parietales habitan en la superficie de plantas y rocas, formando biopelículas. – Los grupos clave son las cianobacterias, que realizan la fotosíntesis, y las bacterias heterótrofas, que descomponen la materia orgánica.
Aguas subterráneas: adaptadas a entornos pobres en nutrientes y con acceso limitado al oxígeno y la luz	– Quimioautótrofos que utilizan compuestos inorgánicos como fuente de energía; – Bacterias anaerobias, arqueas metanogénicas, bacterias reductoras de sulfatos y bacterias desnitrificantes; – Microorganismos endolíticos localizados en los poros de las rocas, que sobreviven al mínimo.
Suelo: las comunidades más diversas con un papel importante en el reciclaje de materia orgánica, la descomposición de toxinas y la absorción de olores.	– Rizobacterias que viven cerca de las raíces de las plantas, donde llevan a cabo la simbiosis; – Degradadores que descomponen la materia orgánica y participan en la formación de humus; – Microorganismos patógenos que causan enfermedades en las plantas o el suelo.
Otros entornos	– Aguas termales volcánicas, lagos salados y glaciares habitados por extremófilos (termófilos y halófilos); – Entorno aéreo: microbios que existen como aerosoles en la atmósfera, diseminados por los vientos; – Sedimentos marinos: anaerobios que metabolizan compuestos orgánicos a baja presión de oxígeno.

3.4. Descubrir el significado funcional de la diversidad del microbioma: caracterización mediante herramientas estadísticas especializadas 

Descubrir el significado funcional de la diversidad del microbioma y su diversidad metabolómica asociada requiere enfoques estadísticos integrados y herramientas de análisis especializadas. Mediante el uso de estos métodos y herramientas, es posible realizar una interpretación funcional, así como resumir la diversidad metabolómica. La combinación de datos multi-ómicos permite una comprensión más profunda de las interacciones entre los microorganismos y su entorno. Los principales pasos y enfoques para caracterizar y resumir estos datos son:

• Recogida y preprocesamiento de datos – para datos microbiómicos y metabolómicos
• Evaluación de la diversidad del microbioma – diversidad alfa (diversidad dentro de una muestra), diversidad beta (diferencias entre muestras).
• Caracterización de la diversidad metabolómica mediante la identificación de metabolomas específicos y la clasificación de metabolitos, análisis estadísticos frente a grupos funcionales, etc.
• Integración de datos microbiómicos y metabolómicos mediante Análisis de Correlación Canónica (CCA), Análisis Procrustes, o métodos para conectar diferentes tipos de datos y aprendizaje automático.
• Resumen y visualización de datos con mapas de calor para las relaciones entre microbios y metabolitos y Análisis de Redes para las interacciones funcionales.
• Herramientas y software – QIIME 2 para análisis del microbioma. MetaboAnalyst para análisis metabolómicos (paquetes R como phyloseq, vegan, mixOmics para análisis estadísticos) y paquetes Python, como scikit-learn, seaborn, y matplotlib para modelado y visualización.

 

4. MODELIZACIÓN DE ESTUDIOS DE LABORATORIO SOBRE METABOLITOS AMBIENTALES

La modelización de estudios de laboratorio sobre metabolitos ambientales es una poderosa herramienta para comprender los complejos procesos bioquímicos que tienen lugar en los ecosistemas naturales. Combinando datos experimentales y modelos matemáticos, podemos obtener una imagen más completa de las redes metabólicas y desarrollar nuevas estrategias para la protección del medio ambiente. Mediante modelos matemáticos y simulaciones informáticas, podemos simular condiciones experimentales, analizar grandes cantidades de datos y elaborar hipótesis sobre los mecanismos subyacentes a los fenómenos observados. La modelización de estudios de laboratorio ofrece varias ventajas, como:

– Mejor comprensión de los ecosistemas complejos, en los que la modelización permite simular interacciones de forma no lineal entre múltiples factores que influyen en los procesos metabólicos.

– Optimización de experimentos mediante la planificación y optimización de experimentos identificando las condiciones más adecuadas para observar determinados procesos.

– Predicción de acontecimientos futuros anticipando cómo afectarán los cambios ambientales a los procesos metabólicos y evaluando las posibles consecuencias de dichos cambios.

– El análisis de “Big Data” a través de la modelización permite analizar las enormes cantidades de datos del metaboloma generados y extraer de forma eficiente información útil.

Los diferentes modelos desarrollados para simular estudios de laboratorio de metabolitos ambientales se presentan en la Fig.4.3.

Figure 4.3. Diferentes modelos que simulan estudios de laboratorio de metabolitos ambientales.

4.1. Categorías de estudios metabolómicos ambientales

El «metaboloma» de un organismo es su conjunto completo de metabolitos, el fenotipo bioquímico completo (o metabotipo) de cualquier biofluido, célula, tejido u organismo, tanto cualitativa como cuantitativamente.

Analizando los metabolomas podemos obtener valiosa información sobre los procesos bioquímicos que tienen lugar en el medio ambiente y desarrollar nuevas estrategias de conservación de la naturaleza. Las principales categorías de metabolómica ecológica se muestran en la Tabla 4.4.

Tabla 4.4. Tipos de metabolómica ecológica.

Tipo metabolómico	Características
Metabolómica del suelo	– Estudia los procesos bioquímicos del suelo relacionados con la descomposición de la materia orgánica, el ciclo de los nutrientes y la interacción entre las plantas, los microorganismos y el suelo. Proporciona información importante para evaluar la fertilidad del suelo, controlar su contaminación y desarrollar estrategias de biorremediación.
Metabolómica de los ecosistemas acuáticos	– Analiza los perfiles metabólicos de organismos acuáticos y medios acuáticos para evaluar la calidad del agua, identificar contaminantes y vigilar el impacto del cambio climático.
Metabolómica del aire	– Identifica compuestos orgánicos volátiles (COV) en la atmósfera, procedentes de fuentes naturales y antropogénicas, y evalúa su impacto sobre la salud y el medio ambiente.
Metabolómica en entornos extremos	– Estudios de la adaptación de los organismos a condiciones extremas (alta temperatura, salinidad, radiación, etc.) y el descubrimiento de nuevos compuestos bioactivos.
Metabolómica de las interacciones entre organismos	– Rastrea las interacciones metabólicas entre diferentes organismos (plantas, animales, microorganismos) y su entorno.

5. METABOLÓMICA EN LA EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL ESTRÉS AMBIENTAL

5.1. Metabolómica ambiental en el estudio de las respuestas del organismo a los factores de estrés ambiental

La metabolómica ambiental proporciona potentes herramientas para estudiar las respuestas de los organismos a los factores estresantes. Analizando los perfiles metabolómicos, podemos obtener información valiosa sobre los mecanismos del estrés, identificar biomarcadores para el diagnóstico precoz de enfermedades y desarrollar nuevas estrategias para proteger el medio ambiente y la salud humana. La metabolómica ambiental se utiliza ampliamente para:

• Descubrir los mecanismos del estrés mediante el análisis de perfiles metabolómicos e identificar las vías metabólicas específicas afectadas por el estrés. Permite comprender mejor los mecanismos subyacentes a la respuesta al estrés.
• Evaluar los efectos de las intervenciones destinadas a reducir el estrés. Es posible comparar los perfiles metabolómicos de organismos sometidos a un determinado estrés antes y después de la aplicación de una terapia. Los perfiles metabólicos de los organismos pueden servir como biomarcadores sensibles para evaluar el estrés. Los cambios en los niveles de metabolitos pueden señalar un desequilibrio en el metabolismo resultante de la exposición al estrés. La evaluación de los efectos del estrés en la salud humana es una parte esencial de la identificación de biomarcadores para el diagnóstico precoz de enfermedades relacionadas con el estrés. Es la base para desarrollar nuevas terapias, como el descubrimiento de nuevas dianas farmacológicas y el desarrollo de terapias personalizadas.
• Evaluar el impacto de los contaminantes mediante la identificación de biomarcadores de contaminación con metales pesados, pesticidas y otras sustancias tóxicas.
• Estudiar el cambio climático y las respuestas de plantas y animales a los cambios de temperatura, humedad y otros factores climáticos.

A pesar de su gran potencial, la metabolómica ambiental sigue presentando algunos retos. No obstante, el futuro de la metabolómica ambiental parece prometedor. Con el desarrollo de nuevas tecnologías y algoritmos, este campo seguirá desempeñando un papel cada vez más importante en la comprensión de las interacciones entre los organismos y su entorno.

5.2. Análisis metabolómico de las respuestas microbianas primarias y secundarias al estrés oxidativo

El estrés oxidativo es una condición en la que existe un desequilibrio entre la generación de especies reactivas del oxígeno (ROS) y la capacidad de la célula para neutralizarlas. Es uno de los principales factores que contribuyen al daño celular y al desarrollo de diversas enfermedades. Los microorganismos, al igual que los organismos de mayor tamaño, están expuestos al estrés oxidativo y han desarrollado mecanismos para hacerle frente. Los análisis metabolómicos ofrecen potentes herramientas para estudiar estos mecanismos a nivel molecular, incluidas las respuestas primarias y secundarias al estrés oxidativo.

Las respuestas primarias al estrés oxidativo implican el daño de biomoléculas como el ADN, las proteínas y los lípidos por ROS. Los análisis metabolómicos pueden identificar los productos de este daño, como lípidos oxidados, grupos carbonilo en proteínas y bases oxidadas en el ADN. La siguiente etapa del estrés oxidativo son las reacciones secundarias, que se asocian a diversas vías de señalización y mecanismos reguladores, cuya activación intenta restablecer la homeostasis. Los análisis metabolómicos pueden identificar cambios en los perfiles metabólicos que reflejan detalladamente estas respuestas.

Los análisis metabolómicos proporcionan potentes herramientas para estudiar las respuestas microbianas al estrés oxidativo. Al identificar los cambios en los perfiles metabólicos, podemos comprender mejor los mecanismos subyacentes a estas respuestas. Esta información puede utilizarse para desarrollar nuevas estrategias de lucha contra las enfermedades infecciosas y mejorar la salud humana.

• Los análisis metabolómicos implican la identificación de biomarcadores, que son metabolitos específicos que pueden servir como biomarcadores del estrés oxidativo. Analizando los cambios en los perfiles metabólicos, pueden identificarse las vías metabólicas más afectadas por el estrés oxidativo. Estos análisis pueden utilizarse para evaluar la eficacia de diversos antioxidantes y otras intervenciones para reducir el estrés oxidativo. La aplicación de los análisis metabolómicos al estudio del estrés oxidativo en microorganismos tiene como objetivos:
• Estudiar la resistencia de microorganismos patógenos a los antibióticos, por lo que el estrés oxidativo puede contribuir al desarrollo de resistencia a los antibióticos.
• Estudiar la adaptación a estas condiciones de los microorganismos que habitan en entornos extremos. Los microorganismos expuestos a un elevado estrés oxidativo desarrollan mecanismos únicos para hacerle frente.
• Desarrollo de nuevos agentes antimicrobianos a partir de la identificación de nuevas dianas para agentes antimicrobianos y de las vías metabólicas implicadas en la respuesta al estrés oxidativo.

5.3. Estrés metabólico en bacterias causado por la contaminación metálica

La contaminación ambiental con metales pesados es una grave amenaza para todos los organismos vivos, incluidas las bacterias. Estos microorganismos son adaptables y pueden colonizar distintos entornos, incluso aquellos con altas concentraciones de sustancias tóxicas. Sin embargo, la exposición a metales provoca cambios significativos en el metabolismo de las bacterias, lo que se conoce como estrés metabolómico. El estrés metabolómico causado por la contaminación por metales es de gran interés para los científicos, ya que los análisis metabolómicos proporcionan potentes herramientas para estudiar los mecanismos de acción de los metales pesados sobre las bacterias y desarrollar estrategias para abordar este problema. La base del estrés metabolómico es establecer los mecanismos de acción de metales pesados como el plomo, el cadmio, el mercurio y el arsénico, que pueden afectar a las células bacterianas de diferentes maneras.

En el estrés oxidativo, los metales pueden generar especies reactivas del oxígeno (ROS) y dañar el ADN, las proteínas y los lípidos. Los daños en el ADN provocan mutaciones e inestabilidad genética. Los metales pesados pueden unirse a los fosfolípidos de la membrana celular, alterando su permeabilidad y estabilidad. Los metales también pueden unirse a las enzimas e inhibir su actividad, alterando procesos metabólicos esenciales.

Muy a menudo, se observan cambios metabolómicos en bacterias expuestas a metales pesados. El análisis metabolómico permite identificar cambios específicos en el perfil metabólico de las bacterias en respuesta a la exposición a metales. Estos cambios pueden incluir la acumulación de metabolitos en las bacterias como mecanismo de desintoxicación o como respuesta al daño celular o al agotamiento de metabolitos resultante de un mayor consumo o de la inhibición de la síntesis. Los metales pueden alterar la regulación de diversas vías metabólicas, provocando cambios en la producción de energía, la síntesis de biomoléculas y otros procesos. Las aplicaciones del análisis metabolómico son de gran importancia para:

• Evaluación de la toxicidad de los metales mediante la comparación de los perfiles metabolómicos de bacterias expuestas a diferentes concentraciones de metales y determinación de su toxicidad.
• Identificación de biomarcadores mediante análisis metabolómicos de metabolitos específicos que pueden servir como biomarcadores de la exposición a metales.
• Desarrollo de estrategias de biorremediación resultantes de análisis metabolómicos que pueden ayudar al desarrollo de nuevas estrategias de biorremediación de suelos y aguas contaminados con metales pesados.

6. AVANCES METODOLÓGICOS Y TÉCNICOS

6.1. Logros de la metabolómica en el campo de la ecotoxicología acuática

En ecotoxicología acuática, la metabolómica ha demostrado ser una herramienta especialmente valiosa para evaluar el impacto de los contaminantes en los organismos acuáticos. Proporciona una «instantánea» del perfil metabólico de un organismo, que no sólo aporta información genética, sino que también refleja la influencia del medio ambiente y de todos los procesos bioquímicos que tienen lugar en el organismo. Esto la convierte en una herramienta extremadamente sensible para detectar cambios tempranos inducidos por la exposición a sustancias tóxicas. La metabolómica permite identificar biomarcadores tempranos de toxicidad, revelar los mecanismos de acción de los contaminantes y desarrollar estrategias más eficaces para la protección de los recursos hídricos. También proporciona nuevos métodos para evaluar el impacto de los contaminantes en los organismos acuáticos y los ecosistemas. Varios logros y aplicaciones clave de la metabolómica en este campo están relacionados con el descubrimiento de metabolitos específicos que cambian en respuesta a la exposición a sustancias tóxicas en el agua. Estos metabolitos pueden servir como biomarcadores de toxicidad y ayudar a la detección precoz de efectos nocivos. Además, analizando los perfiles metabólicos, es posible comprender cómo afectan ciertos contaminantes al metabolismo de los organismos acuáticos. Esto ayuda a desvelar los mecanismos de toxicidad y a desarrollar estrategias para la protección de los ecosistemas acuáticos.

La evaluación del impacto en los organismos acuáticos es una parte importante de la investigación.

La metabolómica permite crear modelos que predicen el impacto de los contaminantes en los organismos acuáticos. Estos modelos pueden utilizarse en la evaluación de riesgos para la elaboración de normas reglamentarias y la modelización de efectos ecotoxicológicos.

Se puede evaluar la toxicidad relativa de las sustancias químicas y priorizar los esfuerzos de control de la contaminación estudiando distintos tipos de contaminantes y comparando los perfiles metabólicos de los organismos expuestos a los contaminantes.

La aplicación de la metabolómica en el campo de la ecotoxicología acuática está relacionada con la vigilancia de la calidad del agua, que es:

• Monitorización real de masas de agua, utilizada para controlar la calidad del agua en tiempo real. Mediante el análisis de los perfiles metabólicos de los organismos acuáticos, se detectan cambios que indican la presencia de contaminantes y qué medidas correctoras deben adoptarse.
• El seguimiento a largo plazo de los perfiles metabólicos puede proporcionar información sobre los efectos crónicos de los contaminantes en los ecosistemas acuáticos y ayudar a desarrollar estrategias de gestión de los recursos hídricos a largo plazo.

Se están desarrollando nuevas tecnologías y métodos que se integran con otras tecnologías «ómicas». La metabolómica se combina a menudo con la genómica, la proteómica y la transcriptómica para obtener una imagen más completa de las respuestas biológicas a los contaminantes. Esta integración permite comprender con mayor precisión las complejas interacciones entre genética, proteínas y metabolitos. También se están desarrollando nuevas técnicas y herramientas analíticas que mejoran la precisión y sensibilidad de las mediciones. Esto incluye métodos avanzados de espectroscopia, cromatografía y análisis estadístico.

La metabolómica es una poderosa herramienta en el campo de la ecotoxicología acuática, que permite estudiar en detalle el impacto de los contaminantes en los organismos y ecosistemas acuáticos. Mediante la identificación de biomarcadores, la comprensión de los mecanismos de toxicidad y el desarrollo de nuevas tecnologías, la metabolómica contribuye significativamente a la conservación de los recursos hídricos y la salud de los ecosistemas acuáticos.

6.2. Nuevos retos estadísticos – bioinformática

La bioinformática y la metabolómica son dos campos de la ciencia en rápido desarrollo que, combinados, ofrecen potentes herramientas para comprender sistemas biológicos complejos. La combinación de bioinformática y metabolómica crea un efecto sinérgico que permite:

• Identificar nuevos biomarcadores mediante la integración de datos genómicos, transcriptómicos y metabolómicos, que pueden utilizarse para descubrir nuevos biomarcadores para el diagnóstico y seguimiento de diversas enfermedades.
• Descubrir mecanismos de enfermedad analizando los cambios metabolómicos asociados a las enfermedades e identificando las principales vías metabólicas alteradas.
• Desarrollar nuevas terapias mediante la comprensión de los cambios metabólicos inducidos por las enfermedades y el desarrollo de nuevas moléculas farmacológicas que restauren la función metabólica normal.
• Optimizar los procesos biotecnológicos analizando los perfiles metabolómicos de los microorganismos, que pueden utilizarse para optimizar los procesos de fermentación y producción de productos biológicos.

La bioinformática y la metabolómica se utilizan en diversos campos de la medicina, como la identificación de biomarcadores del cáncer, la diabetes y otras enfermedades; el desarrollo de la medicina personalizada; el descubrimiento de nuevas sustancias medicinales en farmacia; la evaluación de la eficacia y seguridad de los fármacos; la evaluación de la calidad de los alimentos en la industria alimentaria; el desarrollo de nuevos alimentos funcionales; la mejora del rendimiento y la sostenibilidad de las cosechas en agronomía; el desarrollo de nuevas variedades vegetales; y la vigilancia de la contaminación ambiental en ecología, para evaluar el impacto del cambio climático.

A pesar de su gran potencial, la combinación de bioinformática y metabolómica sigue presentando algunos retos, como el análisis de datos voluminosos y complejos, la normalización de los datos y la complejidad de la integración de datos genómicos, transcriptómicos, proteómicos y metabolómicos. A pesar de estas dificultades, el futuro de la bioinformática y la metabolómica parece prometedor. A medida que se desarrollen nuevas tecnologías y algoritmos, estos dos campos seguirán desempeñando un papel cada vez más importante en la comprensión de los procesos biológicos y el desarrollo de nuevas terapias y tecnologías.

7. RETOS Y PERSPECTIVAS DE LA METABOLÓMICA ECOLÓGICA

La metabolómica ecológica es la integración de la metabolómica y la ecología para estudiar las interacciones entre los organismos y el medio ambiente mediante el estudio de los perfiles metabólicos. La metabolómica ecológica es un puente entre los organismos y el medio ambiente. Este campo se está desarrollando rápidamente. Sin embargo, se enfrenta a varios retos y ofrece perspectivas únicas.

A pesar del gran potencial de la metabolómica ecológica, aún se enfrenta a varios retos, como la complejidad de los sistemas y la dinámica ecológicos, que dificultan la identificación y cuantificación de todos los metabolitos. Las bases de datos con perfiles metabólicos de distintos organismos y ecosistemas están aún poco desarrolladas; el análisis de datos metabolómicos requiere equipos caros y herramientas informáticas especializadas, y la falta de métodos estandarizados de muestreo, extracción y análisis de metabolitos dificulta la comparación de resultados.

7.1. Aplicación de la metabolómica microbiana – proteómica creativa

La metabolómica microbiana y la proteómica creativa son dos potentes herramientas de la microbiología moderna que permiten comprender mejor los complejos procesos que tienen lugar en los microorganismos. Estas áreas de investigación son de gran importancia para diversas aplicaciones que van desde la medicina y la farmacia hasta la biotecnología y la protección del medio ambiente.

La proteómica creativa es un campo relativamente nuevo que se ocupa del desarrollo y la aplicación de nuevos métodos de análisis de proteínas. El objetivo es superar las limitaciones de los métodos proteómicos tradicionales y obtener una imagen más completa del proteoma de un organismo determinado.

La integración de la metabolómica microbiana y la proteómica creativa en la investigación brinda la oportunidad de comprender mejor los procesos celulares. Comparando los cambios en los metabolomas y los proteomas, es posible determinar cómo afectan los cambios en la expresión génica al metabolismo celular. La metabolómica microbiana y la proteómica creativa son herramientas poderosas que tienen el potencial de revolucionar diversos campos de la ciencia y la tecnología. Combinando estos dos campos se pueden descubrir nuevos fármacos, desarrollar biotecnologías más eficientes y resolver importantes problemas medioambientales. Las principales áreas de aplicación de la metabolómica microbiana y la proteómica creativa son:

• Identificación y diferenciación de cepas microbianas mediante el análisis de los perfiles metabólicos únicos de diferentes cepas de microorganismos. La proteómica creativa ayuda a identificar y diferenciar cepas estrechamente relacionadas. Tiene importantes implicaciones para la seguridad alimentaria, la microbiología medioambiental y el diagnóstico clínico.
• La metabolómica microbiana proporciona una visión global de las vías metabólicas activas en un microorganismo. Esta información puede utilizarse para comprender cómo los microorganismos interactúan con su entorno, responden al estrés y producen metabolitos valiosos.
• La proteómica creativa ayuda a identificar posibles dianas farmacológicas analizando los cambios metabólicos inducidos por compuestos antimicrobianos y a evaluar la eficacia de nuevos antibióticos.
• La metabolómica microbiana puede utilizarse en biotecnología industrial para optimizar los procesos de fermentación, mejorar la producción de biocombustibles y otros bioproductos, y diseñar microorganismos para aplicaciones industriales específicas.
• El análisis del metaboloma microbiano en muestras medioambientales ayuda a evaluar el impacto de los contaminantes en las comunidades microbianas y a vigilar la salud de los ecosistemas.

Las ventajas de la proteómica creativa son los elevados conocimientos de los científicos especializados en metabolómica microbiana, el acceso a instrumentos analíticos modernos y las tecnologías más recientes, que permiten dar soluciones individuales a necesidades específicas. Aprovechando el poder de la metabolómica microbiana, la proteómica creativa ayuda a los investigadores a liberar el potencial de los microorganismos y resolver problemas esenciales en diversos campos, como la medicina, la agricultura y la ecología.

7.2. Aplicación de la metabolómica para caracterizar la toxicidad de los contaminantes ambientales y los riesgos de enfermedad

Cuando un organismo se expone a un agente tóxico, su metabolismo cambia, lo que provoca cambios en las concentraciones de diversos metabolitos. El análisis metabolómico puede identificar estos cambios y proporcionar información sobre los mecanismos de toxicidad del contaminante para dañar el organismo a nivel celular. También identifica metabolitos específicos que sirven como indicadores de la exposición a un determinado tóxico y de las dosis responsables del daño. Es esencial disponer de información sobre el impacto del aumento de la concentración del contaminante en el perfil metabólico del organismo y a qué órganos y sistemas afecta.

Figura 4.4.  Cambios en el perfil metabólico en respuesta a la exposición a contaminantes Perfil de expresión génica tras la exposición de células RAW 264.7 al material particulado (MP) estándar, NIST1648a, y al MP con un contenido reducido de materia orgánica, LAp120, en comparación con los efectos del lipopolisacárido (LPS).

La aplicación de la metabolómica y la proteómica creativa en el campo del medio ambiente y la salud proporciona información esencial para evaluar el riesgo para la salud humana asociado a la exposición a contaminantes ambientales, como metales pesados, pesticidas y productos químicos industriales. También se puede entender cómo se acumulan los contaminantes en los organismos y cómo esto afecta a su metabolismo. Se pueden identificar nuevos contaminantes que provocan cambios en el metabolismo. Estos cambios metabolómicos, asociados a la exposición a contaminantes, pueden utilizarse para desarrollar biomarcadores para la detección precoz de enfermedades relacionadas con el medio ambiente. Otra función esencial es su utilización para evaluar la eficacia de distintos métodos de remediación de suelos y aguas contaminados.

• La exposición a contaminantes ambientales puede alterar significativamente el metaboloma humano, dando lugar a diversos problemas de salud. Los cambios metabólicos clave pueden ser marcadores de varias enfermedades humanas, como:
• Contaminantes como las partículas en suspensión (PM2,5) y el ozono (O3) pueden inducir estrés oxidativo, provocando un aumento de los niveles de especies reactivas del oxígeno (ROS). Esto puede dañar los lípidos, las proteínas y el ADN, dando lugar a un aumento de los productos de peroxidación lipídica (por ejemplo, malondialdehído), productos de oxidación de proteínas y aductos de ADN.
• Activación de las vías inflamatorias, lo que provoca un aumento de los niveles de citocinas inflamatorias (por ejemplo, TNF-α, IL-6) y quimiocinas. Estas moléculas pueden contribuir aún más al estrés oxidativo y al daño tisular.
• Alteran el metabolismo energético, provocando cambios en el metabolismo de la glucosa, los lípidos y los aminoácidos, lo que altera los niveles de glucosa, ácidos grasos, colesterol y aminoácidos en sangre.
• Afectan al metabolismo de los neurotransmisores, lo que provoca cambios en los niveles de neurotransmisores como la dopamina, la serotonina y el glutamato, dando lugar a trastornos neurológicos y psiquiátricos.
• Interfieren en la señalización hormonal, lo que provoca cambios en los niveles de hormonas como el estrógeno, la testosterona y las hormonas tiroideas e influye significativamente en la salud reproductiva y el desarrollo.
• Las alteraciones del metabolismo lipídico y el estrés oxidativo pueden aumentar el riesgo de aterosclerosis y enfermedades cardiovasculares.
• Inducir inflamación y estrés oxidativo en los pulmones, lo que conduce a enfermedades respiratorias como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC).
• Las alteraciones del metabolismo de los neurotransmisores pueden contribuir a enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson, así como a trastornos psiquiátricos como la depresión y la ansiedad.
• Algunos contaminantes pueden dañar directamente el ADN, provocando mutaciones que pueden contribuir al desarrollo del cáncer.
• La exposición a contaminantes durante el embarazo y la primera infancia puede tener efectos adversos en el desarrollo del feto y del niño, como alteraciones de la función cognitiva y del desarrollo respiratorio.

La evaluación precisa de la exposición a contaminantes es crucial para comprender los impactos de la contaminación en la salud. Reducir las emisiones contaminantes a través de regulaciones y avances tecnológicos es esencial para mitigar los riesgos para la salud asociados con la contaminación.

 

La metabolómica está demostrando ser una poderosa herramienta para estudiar los efectos de los contaminantes en los organismos vivos. Analizando los cambios metabólicos, los científicos pueden obtener información valiosa sobre los mecanismos de toxicidad, identificar biomarcadores de exposición y evaluar los riesgos para la salud humana. En el futuro, la metabolómica desempeñará un papel cada vez más importante en el desarrollo de estrategias eficaces para proteger el medio ambiente y mejorar la salud humana.

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