NovaUniversidad Colegio Mayor de Cundinamarcarevistanova@unicolmayor.edu.co ISSN (Versin impresa): 1794-2370COLOMBIA

2003 Tobas Mojica / Oscar Snchez / Leonardo Bobadilla

LA PROTEMICA, OTRA CARA DE LA GENMICA Nova, enero-diciembre, ao/vol. 1, nmero 001 Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca

Bogot, Colombia pp. 1-16

Red de Revistas Cientficas de Amrica Ltina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxico

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La Protemica, otra cara de la genmica

Tobas Mojica Ph.D., Oscar Snchez y Leonardo BobadillaInstituto de Gentica, Departamento de Biologa, Facultad de Ciencias, Departamento de Ingeniera de Sistemas, Facultad de

Ingeniera, Universidad Nacional de Colombia, Bogot.Recibido: 07-07-03; Aceptado: 24-09-03

anotacin bioinformtica, se calcula que el 17% de

esas protenas estn involucradas en el metabolismo

general de la clula de levadura, el 30% funciona en

organizacin celular y biognesis de organelos y mem-

branas y el 10% en transporte molecular (3).

Los tpicos grandes de la protemica son los si-

guientes:

a. Perspectiva de la empresa, incluyendo la

perspectiva de la relacin entre genoma y proteoma.

b. Fuente y manejo de las protenas, incluyendo el

organismo donante y la extraccin y almacenamiento

de la muestra, etc.

c. Separacin de las protenas, incluyendo, como

en el caso de las protenas subcelulares, la

purificacin.

d. Identificacin de las protenas que se realizan

actualmente por espectrometra de masas.

e. Funcin de las protenas, lo cual incluye, adems

de la funcin propiamente dicha, la localizacin celular,

interacciones protena-protena, determinacin de la

estructura terciaria, en alto grado alcanzado por

cristalografa, la relacin entre estructura y funcin y

modificaciones postraduccionales.

ENSAYO

La sntesis de todas las protenas celulares est

codificada por los genomas. En la actualidad, tene-

mos disponibles las secuencias de ms de 150

genomas celulares, incluyendo varios de organismos

multicelulares (http://www.tigr.org).

La protemica es la nueva etapa en la investiga-

cin biolgica que emana naturalmente de la genmica

y que incluye la caracterizacin de la expresin de

las protenas codificadas por un genoma y el estable-

cimiento de sus propiedades funcionales y estructu-

rales (2). En cierta manera, la protemica es la con-

tinuacin de lo que se ha llamado la geonmica o cien-

cia de los genomas que se ha encargado de estable-

cer la secuencia de muchos genomas. Los genomas

definen el contenido informacional de los organismos

y, por lo tanto, definen la tipologa del organismo. La

secuencia del genoma no le dice a uno de qu mane-

ra funciona el organismo; para tener respuestas a la

pregunta de cmo funciona el organismo es necesa-

rio estudiar las protenas, es decir, es necesario acer-

carnos a la protemica. Para dar una idea de la com-

plejidad del problema de la protemica, consideremos

que el genoma de levaduras tiene 6.225 protenas cal-

culadas por bioinformtica y por otros medios. Por

Las protenas son lo que uno podra llamar los arquitectos de la vida, pues son cruciales en los procesos

celulares de todos los seres vivos. Las protenas estn implicadas en la catlisis de las reacciones qumicas

celulares, el transporte de molculas, la transduccin de seales, la segregacin del material gentico, la

produccin y el manejo de la energa. El programa celular vital necesita del trabajo coordinado de muchos

tipos diferentes de protenas (1). La mayor parte del peso seco de una clula est constituda por protenas.

Parece una tautologa, pero tendremos que entender las protenas antes de que podamos entender la clula.

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f. Aplicaciones que pueden estar en el rea del

diagnstico de las enfermedades humanas y en el

descubrimiento de nuevas drogas.

g. Aplicaciones en informtica que generan mu-

chas anotaciones basadas en la homologa de las se-

cuencias, la construccin de bases de datos, genera-

cin de algoritmos para el anlisis y, por ltimo, la

estandarizacin.

h. Otras reas de importancia humana que inclu-

yen la colaboracin internacional, consideraciones

ticas, legales, papel de la sociedad en la construc-

cin y uso del conocimiento nuevo que resulte.

Gran parte de la empresa de investigacin en bio-

loga contempornea es llevada a cabo por pases

avanzados, con economas y personal adecuado. La

protemica no es la excepcin. Los Institutos Nacio-

nales de Salud de los Estados Unidos financian una

actividad investigativa llamada la Iniciativa de la Es-

tructura de Protenas, llevada a cabo en 9 centros

universitarios distribuidos por toda la unin. Este es

un esfuerzo coordinado a 10 aos para producir es-

tructuras completas de 10.000 protenas. La activi-

dad est en sus comienzos y se considera un blanco

importante y difcil llegar a la cristalizacin de 200

protenas por ao. Laboratorios de industrias que es-

peran ganar dinero con el desarrollo en conocimiento

tambin han proliferado recientemente. El problema

radica en que hay casi tantas protenas en la Tierra

como estrellas en el cielo. La iniciativa de la estruc-

tura de protenas ha llevado al desarrollo de nuevas

tecnologas que incluyen estudios estructurales deta-

llados por nanotecnologas y procesos rpidos de cris-

talizacin. Esta es claramente una muestra de la enor-

me dimensin de la tarea, que contrasta con el reza-

go tecnolgico de nuestros pases.

Podemos entonces preguntarnos qu es un

proteoma? Se trata del complemento protenico ex-

presado por un genoma o por un tejido. Los proteomas

son dinmicos y cambian con el tiempo, con el esta-

dio del desarrollo y con las condiciones intra y

extracelulares. La protemica es el estudio de los

proteomas; separa, identifica y caracteriza protenas

a gran escala, define niveles de protenas

celularmente, investiga complejos de protenas, eluci-

da funciones, caminos metablicos e interrelaciones.

La protemica tiene que analizar un nmero muy gran-

de de protenas (4) (en organismos eucariticos es

usualmente un nmero mayor que el nmero de genes

presentes en el genoma); tambin se encarga de la

caracterizacin funcional de tales protenas y de sus

relaciones estructurales. En esencia, podemos decir

que la genmica produce las estructuras primarias de

las protenas, mientras que la protemica se encarga-

r de producir las estructuras secundaria, terciaria y

cuaternaria.

La informacin fluye en forma lineal del DNA

genmico al RNAm por dos conjuntos de procesos

contiguos llamados transcripcin y procesamiento y

sigue fluyendo linealmente del RNAm a la protena,

mediante un conjunto de procesos llamados traduccin

(5). El resultado de ese flujo de informacin lineal es

la estructura primaria de la protena y de todas las

protenas de un genoma. A partir de la estructura

primaria de la protena, ocurren tres hechos en tres

dimensiones: todas las protenas se pliegan en

estructura secundaria y terciaria, algunas sufren

modificaciones postraduccionales y algunas adquieren

estructura cuaternaria. Hasta hoy, el pensamiento

gentico ha sido lineal. La protemica empieza donde

empiezan los eventos que tenemos que entender en

tres dimensiones. Ni la estructura primaria del gene

ni la del RNAm ni de la protena misma dan

indicaciones claras de la naturaleza del producto

proteico ni de su funcin; por lo tanto, la primera tarea

de la protemica consiste en identificar las protenas

producidas por un genoma. Es decir, principalmente

problemas tecnolgicos frente a cmo se pueden

separar y visualizar las protenas en un proteoma,

cmo se puede utilizar esta informacin para estudiar

complejos proteicos y caminos metablicos, cmo se

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pueden identificar protenas separadas y cmo se

pueden caracterizar en detalle tales protenas.

Las principales tecnologas en desarrollo son las

siguientes: tecnologa reproducible de electroforesis

en geles en 2D; tecnologa de tincin y anlisis de los

geles; tecnologa para la identificacin de las prote-

nas, tal como la espectrometra de masas (2); tecno-

logas de manejo electrnico, tales como bases de

datos (de genomas y de protenas); y, tambin,

algoritmos de bsqueda y de recuperacin de datos.

El reto principal de la protemica es la automatizacin

y la integracin de las tecnologas mencionadas. Este

es un reto cuya respuesta saldr, principalmente, de

la bioinformtica.

La electrofresis es la tcnica central para anali-

zar un nmero grande de protenas al mismo tiempo

(3). La tcnica electrofortica es relativamente anti-

gua, fue inventada por Tiselius hace ms de 50 aos

y, en 1956, Smithies y Poulick describieron el primer

gel en dos dimensiones, mientras que en 1975, Patrick

OFarell optimiz el proceso de separacin en 2D,

tcnica que se utiliza hoy en da. En la primera di-

mensin se efecta el isoelectroenfoque utilizando

gradientes inmovilizados de pH, es decir, las prote-

nas se separan por su carga. En la segunda dimen-

sin, la separacin de protenas se hace en presencia

de SDS y las protenas se separan por su masa. Se

pueden separar miles de protenas en un solo gel. La

correcta preparacin de la muestra es frecuentemente

el paso ms importante para un resultado exitoso.

Las manchas en el gel son extradas y cada una es

tratada con tripsina para producir un patrn caracte-

rstico de pptidos, y stos se identifican por

espectrometra de masas, una tcnica que mide la

masa (en este caso, la masa de los pptidos produci-

dos por digestin con tripsina) de las molculas con

gran precisin. Los espectrmetros de masa tienen

dos partes: una fuente de iones (como por ejemplo,

MALDI o ESI, ver el siguiente prrafo) y un aparato

medidor (como por ejemplo, cuadrupolos, trampas

inicas y TOF). Las combinaciones de esta tcnica

que ms se utilizan son las siguientes:

MALDI-TOF-MS (Matrix Assisted Laser

Desorption Ionization - Time Of Flight Mass

Spectrometry) o Espectrometra de masas, basada

en la desorpcin ionizacin asistida por una matriz

slida de rpida ocurrencia. Esta identificacin de

protenas ocurre cuando stas estn inmovilizadas en

una membrana o en una matriz de un gel. La tcnica

es de baja eficiencia.

MALDI o ESI-MS (ElectroSpray Ionization

Mass Spectrometry) o Espectrometra de masas por

ionizacin en electroatomizado. Esta tcnica analiza

protenas inmovilizadas en membranas o eluidas y di-

geridas en los geles.

Los datos que salen de la tcnica de espectrometra

de masas son fingerprints o huellas digitales de

pptidos separados por masa. La identificacin de las

protenas se hace por aprendizaje de mquina, refi-

riendo los patrones particulares de espectrometra de

masas a una base de datos que sirve para entrena-

miento.

Un objetivo ms o menos inmediato de la

protemica es la aplicacin de las tecnologas y datos

a la investigacin en clnica humana. Otras reas de

menor desarrollo en el conocimiento incluyen los es-

tudios ambientales, investigacin en agricultura y en

veterinaria, las cuales podrn usar los desarrollos de

la protemica solo de mediano a largo plazo. Un ob-

jetivo claro de la protemica clnica es el descubri-

miento de drogas clnicamente importantes, es decir,

blancos potenciales para desarrollo farmacolgico, y

mayor distancia entre los ricos y los pobres.

En la actualidad, la computacin es un componente

esencial de la investigacin en biologa. La masa de

los datos producidos es tan grande que no se puede ni

siquiera mirar sin la ayuda de un computador. Quizs

la bioinformtica nunca haya enfrentado un problema

de magnitud tan grande. Necesitamos bases de datos

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integradas, eficientes para entrar y sacar datos; as

mismo, necesitamos mtodos computacionales

avanzados tales como reconocimiento de patrones y

otros enfoques de aprendizaje de mquina, para

analizar y entender los datos.

La computacin suministra herramientas podero-

sas para detectar relaciones sutiles entre los datos y

sugiere hiptesis y rutas para la validacin experi-

mental. Los genetistas antiguos hacan gentica im-

pulsada por hiptesis, mientras los nuevos plantean

hiptesis basados en los datos del computador, lo cual

aade as una dimensin nueva a la intuicin humana

capacitndonos para obtener entendimientos adicio-

nales. Quienes puedan integrar la computacin a sus

tareas investigativas tendrn mucho xito. Para apro-

vecharnos de la riqueza de los datos necesitamos dos

tipos de desarrollos computacionales:

1. Infraestructura de las bases de datos que per-

mitan almacenamiento y recuperacin eficientes, que

sea biolgicamente intuitiva y con una interfase que

permita la comunicacin entre bases de datos y cien-

tficos de diferentes disciplinas.

2. Sistemas inteligentes, agentes y software para

discernir las relaciones entre los datos, de tal manera

que se puedan formular hiptesis junto con experi-

mentos de validacin. Debemos esperar que estos

desarrollos en bioinformtica ayuden a responder pre-

guntas fundamentales de toda la biologa, incluyendo

preguntas que an no se han formulado. Podemos in-

cluir en este punto la necesidad de entrenar la nueva

generacin de cientficos multidisciplinarios, en lo cual

la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca pue-

de hacer una contribucin importante.

Conclusin

La definicin ms amplia de protemica puede ser

la ms til; de hecho cualquier definicin de

protemica debe llegarle al alma a los bilogos y los

cientficos de la computacin. La protemica repre-

senta la lnea de conocimiento que quiere establecer

las identidades, las cantidades, las estructuras, las fun-

ciones bioqumicas y celulares de todas las protenas

de un organismo, rgano u organelo, y las formas como

las anteriores propiedades varan en el espacio y el

tiempo y con el estado fisiolgico y anmico. Una ta-

rea de mucho tiempo que pueden dejar ms atrasa-

dos que antes.

Referencias1. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, Watson JD.

Molecular biology of the cell. New York: Garland Publishing;1994.

2. Anderson NL, Anderson NG. Proteome and proteomics: newtechnologies, new concepts and new words. Electrophoresis1998;19:1853-61.

3. Blackstock WP, Weir MP. Proteomics: quantitative andphysical mapping of cellular proteins. Trends in Biotech1999;17:121-7.

4. Kenyon GL, DeMarinib DM, Fuchs E, Galas DJ, Kirsche JF,Leyh TS, et al. Defining the mandate of proteomics in thepost-genomics era: workshop report. Molecular & CellularProteomics 2002;1:763-80. Disponible en: URL: http://www.nap.edu/catalog/10209.html

5. Lodish H, Berk A, Zipursky S, Matsudaira P, Baltimore D,Darnell J. Molecular cell biology. New York: W.H. Freemanand Company; 2000.

6. Wilkins M. editor. New frontiers in functional genomics. NewYork: Springer Verlag; 1997.

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