Glicómica

Glycomics es el estudio integral de los glicomas (el complemento completo de azúcares, ya sea libre o presente en moléculas más complejas de un organismo), incluidos los aspectos genéticos, fisiológicos, patológicos y otros. La glucómica "es el estudio sistemático de todas las estructuras de glucanos de un tipo de célula u organismo determinado" y es un subconjunto de glicobiología. El término glucómica se deriva del prefijo químico para la dulzura o un azúcar, "gluco-", y se formó para seguir la convención de nomenclatura ómica establecida por la genómica (que se ocupa de los genes) y proteómica (que se ocupa de las proteínas).

Desafíos

• La complejidad de los azúcares: con respecto a sus estructuras, no son lineales en su lugar son altamente ramificados. Además, los glucocanos pueden ser modificados (azúcares modificados), esto aumenta su complejidad.
• Rutas biosintéticas complejas para los glucocanos.
• Por lo general, los glucanos se encuentran ligados a proteínas (glucoproteína) o conjugados con lípidos (glucólipidos).
• A diferencia de los genomas, los glucocanos son altamente dinámicos.

Esta área de investigación tiene que lidiar con un nivel inherente de complejidad que no se ve en otras áreas de la biología aplicada. 68 bloques de construcción (moléculas para ADN, ARN y proteínas; categorías para lípidos; tipos de enlaces de azúcar para sacáridos) proporcionan la base estructural para la coreografía molecular que constituye toda la vida de una célula. El ADN y el ARN tienen cuatro componentes cada uno (los nucleósidos o nucleótidos). Los lípidos se dividen en ocho categorías según el cetoacilo y el isopreno. Las proteínas tienen 20 (los aminoácidos). Los sacáridos tienen 32 tipos de enlaces de azúcar. Si bien estos componentes básicos se pueden unir solo de forma lineal para proteínas y genes, se pueden organizar en una matriz ramificada para sacáridos, lo que aumenta aún más el grado de complejidad.

Agregue a esto la complejidad de las numerosas proteínas involucradas, no solo como transportadoras de carbohidratos, las glicoproteínas, sino también proteínas involucradas específicamente en la unión y reacción con carbohidratos:

• enzimas específicas para la síntesis, modulación y degradación
• Lectinas, proteínas de unión de carbohidratos de todo tipo
• Receptores, receptores de unión de carbohidratos circulantes o de membrana

Importancia

Para responder a esta pregunta, se deben conocer las diferentes e importantes funciones de los glicanos. Las siguientes son algunas de esas funciones:

• Las glucoproteínas y los glucólipidos encontrados en la superficie celular desempeñan un papel crítico en el reconocimiento bacteriano y viral.
• Están involucrados en las vías de señalización celular y modulan la función celular.
• Son importantes en la inmunidad innata.
• Determinan el desarrollo del cáncer.
• Orquestan el destino celular, inhiben la proliferación, regulan la circulación y la invasión.
• Afectan la estabilidad y el plegamiento de proteínas.
• Afectan el camino y el destino de las glicoproteínas.
• Hay muchas enfermedades específicas de glicán, a menudo enfermedades hereditarias.

Existen importantes aplicaciones médicas de aspectos de la glucómica:

• Las células fraccionadas para evitar la enfermedad injerto-versus-host en el trasplante de células madre hematopoyéticas.
• Activación y expansión de células CD8 T citolíticas en el tratamiento del cáncer.

La glucómica es especialmente importante en microbiología porque los glucanos desempeñan diversas funciones en la fisiología bacteriana. La investigación en glucómica bacteriana podría conducir al desarrollo de:

• drogas novedosas
• glycans bioactivos
• vacunas glucoconjugadas

Herramientas utilizadas

Los siguientes son ejemplos de las técnicas comúnmente utilizadas en el análisis de glicanos

Espectrometría de masas (MS) de alta resolución y cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)

Los métodos más comúnmente aplicados son MS y HPLC, en los que la parte de glicano se escinde del objetivo enzimática o químicamente y se somete a análisis. En el caso de los glicolípidos, pueden analizarse directamente sin separación del componente lipídico.

Los N-glicanos de las glicoproteínas se analizan de forma rutinaria mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC de fase inversa, fase normal y de intercambio iónico) después de marcar el extremo reductor de los azúcares con un compuesto fluorescente (marcaje reductivo). En los últimos años se introdujo una gran variedad de etiquetas diferentes, donde 2-aminobenzamida (AB), ácido antranílico (AA), 2-aminopiridina (PA), 2-aminoacridona (AMAC) y 3-(acetilamino)-6-aminoacridina (AA-Ac) son solo algunos de ellos.

Los O-glicanos generalmente se analizan sin etiquetas, debido a que las condiciones de liberación química impiden que se etiqueten.

Los glicanos fraccionados de los instrumentos de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) se pueden analizar más a fondo mediante MALDI-TOF-MS(MS) para obtener más información sobre la estructura y la pureza. A veces, los grupos de glicanos se analizan directamente mediante espectrometría de masas sin prefraccionamiento, aunque la discriminación entre estructuras de glicanos isobáricos es más difícil o incluso no siempre es posible. De todos modos, el análisis MALDI-TOF-MS directo puede conducir a una ilustración rápida y directa del grupo de glicanos.

En los últimos años, la cromatografía líquida de alta resolución en línea acoplada a la espectrometría de masas se hizo muy popular. Al elegir carbón grafítico poroso como fase estacionaria para la cromatografía líquida, se pueden analizar incluso glicanos no derivatizados. La ionización por electropulverización (ESI) se utiliza con frecuencia para esta aplicación.

Monitorización de reacciones múltiples (MRM)

Aunque MRM se ha utilizado ampliamente en metabolómica y proteómica, su alta sensibilidad y respuesta lineal en un amplio rango dinámico lo hacen especialmente adecuado para la investigación y el descubrimiento de biomarcadores de glicanos. La MRM se realiza en un instrumento de triple cuadrupolo (QqQ), que está configurado para detectar un ión precursor predeterminado en el primer cuadrupolo, un ión fragmentado en el cuadrupolo de colisión y un ión de fragmento predeterminado en el tercer cuadrupolo. Es una técnica sin exploración, en la que cada transición se detecta individualmente y la detección de múltiples transiciones ocurre simultáneamente en ciclos de trabajo. Esta técnica se está utilizando para caracterizar el glicoma inmune.

Tabla 1: Ventajas y desventajas de la espectrometría de masas en el análisis de glicanos

Arreglos

Las matrices de lectina y anticuerpos proporcionan un cribado de alto rendimiento de muchas muestras que contienen glicanos. Este método utiliza lectinas naturales o anticuerpos monoclonales artificiales, donde ambos se inmovilizan en un chip determinado y se incuban con una muestra de glicoproteína fluorescente.

Las matrices de glicanos, como la que ofrece el Consorcio para la Glicómica Funcional y Z Biotech LLC, contienen compuestos de carbohidratos que se pueden analizar con lectinas o anticuerpos para definir la especificidad de los carbohidratos e identificar los ligandos.

Marcado metabólico y covalente de glicanos

El etiquetado metabólico de los glicanos se puede utilizar como una forma de detectar estructuras de glicanos. Una estrategia bien conocida implica el uso de azúcares marcados con azida que pueden reaccionar usando la ligadura de Staudinger. Este método se ha utilizado para obtener imágenes in vitro e in vivo de glicanos.

Herramientas para glicoproteínas

La cristalografía de rayos X y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para el análisis estructural completo de glicanos complejos es un campo difícil y complejo. Sin embargo, la estructura del sitio de unión de numerosas lectinas, enzimas y otras proteínas de unión a carbohidratos ha revelado una amplia variedad de bases estructurales para la función del glucoma. La pureza de las muestras de prueba se ha obtenido mediante cromatografía (cromatografía de afinidad, etc.) y electroforesis analítica (PAGE (electroforesis de poliacrilamida), electroforesis capilar, electroforesis de afinidad, etc.).

Software y bases de datos

Hay varios software y bases de datos en línea disponibles para la investigación glucómica. Esto incluye:

• GlyCosmos
• GlyTouCan
• GlycomeDB
• UniCarb-DB