¿Qué es el Glycome humano? Cómo los científicos desbloquearon el código del azúcar

Cuando piensas en el azúcar, probablemente piensas en el azúcar de mesa dulce, blanco y cristalino que usas para hacer galletas o endulzar tu café. Pero, ¿sabía que dentro de nuestro cuerpo, las moléculas simples de azúcar pueden conectarse entre sí para crear estructuras poderosas que recientemente se ha relacionado con problemas de salud, como el cáncer, el envejecimiento y las enfermedades autoinmunes?

Estas largas cadenas de azúcar que cubren cada una de nuestras células se llaman glicanos y, según la Academia Nacional de Ciencias, crear un mapa de su ubicación y estructura nos llevará a una nueva era de la medicina moderna. Esto se debe a que la ganancia humana, la colección completa de azúcares dentro de nuestro cuerpo, contiene glicanos aún por descubrir con el potencial de ayudar a los médicos a diagnosticar y tratar a sus pacientes.

Gracias a la atención mundial obtenida por la finalización en 2003 del Proyecto del Genoma Humano, la mayoría de las personas ha oído hablar del ADN, la genómica e incluso la proteómica, el estudio de las proteínas. Pero el estudio de los glucanos, también conocidos como glicómicos, está unos 20 años por detrás del de otros campos. Una de las razones de este retraso es que los científicos no han desarrollado las herramientas para identificar rápidamente las estructuras de glicanos y sus sitios de conexión en las células de las personas. El "abrigo de azúcar" ha sido un tanto misterioso.

Hasta ahora, eso es.

Si bien la mayoría de los laboratorios se centran en la investigación celular o molecular, nuestro laboratorio se dedica a desarrollar tecnología para caracterizar rápidamente las estructuras de glicanos y sus sitios de unión. Nuestro objetivo final es catalogar los cientos de miles de azúcares y sus ubicaciones en diversos tipos de células, y luego usar esta información para adaptar las terapias médicas a cada individuo.

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¿Por qué nos importa Glycans?

En el futuro, es probable que el análisis de los glucanos de un individuo se use para predecir nuestro riesgo de desarrollar enfermedades como la artritis reumatoide, el cáncer o incluso las alergias a los alimentos. Esto se debe a que las alteraciones de la glucemia pueden estar específicamente vinculadas a estados de enfermedad particulares. Además, los procesos biológicos como el envejecimiento están vinculados a la inflamación en nuestra glándula. Queda por someter a prueba si revertir estos cambios puede ayudar a prevenir enfermedades, o incluso retrasar el envejecimiento, una posibilidad interesante.

Junto con el ADN, las proteínas y las grasas, los glucanos son una de las cuatro macromoléculas principales esenciales para la vida. De estos cuatro, los glicanos son los árbitros finales de cómo se comportan nuestras células.

El ADN organiza el aspecto que tenemos, nuestra capacidad para pensar y comportarnos, e incluso determina las enfermedades a las que somos más susceptibles. Dentro de nuestro ADN hay segmentos cortos, genes, que a menudo contienen instrucciones sobre cómo sintetizar proteínas. Las proteínas, a su vez, son los "caballos de batalla" de la célula, que realizan muchas de las funciones necesarias para la vida.

Sin embargo, la forma en que se comporta una proteína a menudo depende de los glucanos que se le adjuntan. En otras palabras, estas moléculas de azúcar pueden influir enormemente en cómo nuestras proteínas hacen su trabajo, e incluso en cómo nuestras células responderán a los estímulos. Por ejemplo, si cambia algunos glucanos en el exterior de una célula, podría provocar que esa célula migre a una ubicación diferente en nuestro cuerpo.

El trabajo principal de los glicanos es modificar las proteínas y las grasas que se encuentran en la superficie de nuestras células. Juntos, crean una capa gruesa de azúcar alrededor de la célula. Si consideramos que la superficie de la célula es suelo, los glucanos serían la vida vegetal y el follaje maravillosamente diversos que brotan y aportan color e identidad a la célula. De hecho, si pudieras ver una celda a simple vista, se vería muy borroso. Imagina un melocotón con 10 veces más pelusa.

Los glicanos etiquetan nuestras propias células y las identifican como "uno mismo"

La pelusa alrededor de una célula es su capa de glicano. Al estar en el exterior de nuestras células, los glucanos son el primer punto de contacto para la mayoría de las interacciones celulares y, por lo tanto, influyen en cómo nuestras células se comunican entre sí. También puede pensar en los glucanos como un “código de barras” celular único. Por lo tanto, la pelusa de una célula renal se verá diferente a la pelusa de una célula inmunitaria. Pero también hay similitudes. De hecho, las células inmunes que examinan nuestro cuerpo en busca de agentes patógenos saben que no deben atacar nuestras propias células "del yo" debido a las características comunes en el "código de barras" del glicano, que son compartidas por todas las células de nuestro cuerpo.

En contraste, las bacterias y parásitos como la malaria tienen diferentes "capas de azúcar" que no se ven en las células humanas. Cuando los azúcares bacterianos se etiquetan como "extraños", el sistema inmunológico de una persona apunta a la bacteria para su destrucción. Sin embargo, algunos patógenos bacterianos dañinos, como el estreptococo del grupo B, que comúnmente causan infecciones graves en los bebés, pueden evitar la detección inmune haciéndose pasar por células humanas portando glicanos similares como un disfraz, como el lobo vestido con piel de oveja.

Desafortunadamente, algunos patógenos también pueden usar nuestros glucanos para ayudarlos a causar enfermedades. Virus mortales como el VIH y el ébola han evolucionado para aferrarse a glucanos específicos que luego se "bloquean" cuando infectan nuestras células humanas. Las terapias que bloquean la interacción de estos virus con nuestros glucanos, o que atacan a los glucanos específicos del virus, pueden ser una nueva vía para tratar estas infecciones.

Una nueva investigación también ha demostrado que los glucanos desempeñan un papel importante en el desarrollo de enfermedades autoinmunes como la artritis reumatoide y la pancreatitis autoinmune. Esto no es sorprendente, ya que los glucanos influyen directamente en la función de las células inmunitarias.

Normalmente, nuestras células inmunitarias actúan como el "sistema de defensa" de nuestro cuerpo e identifican y destruyen invasores extraños como bacterias o virus dañinos. Pero cuando el cuerpo etiqueta erróneamente a nuestras propias células como el enemigo y lanza un ataque interno sobre sí mismo, nace la autoinmunidad. Curiosamente, en tales casos, son los glucanos presentes en los anticuerpos autoatables que se comportan mal lo que dictará la fuerza del ataque al cuerpo. Esta respuesta inmune anormal puede incluso dirigirse contra los glucanos. Por ejemplo, el sistema inmunológico puede confundir los "propios" glucanos como si fueran moléculas "extrañas". Nuestro equipo de investigación publicó recientemente un artículo que introdujo la teoría de la autoinmunidad de glucano, que explica algunas de estas relaciones.

Glicanos en nuestra comida pueden desencadenar respuestas inmunes

Se han realizado muchos estudios que relacionan el consumo de carne roja con enfermedades como la aterosclerosis y la diabetes, pero no han podido demostrar por qué o cómo ocurrió esto hasta hace poco. Un estudio intrigante sugiere que el culpable era un azúcar con el nombre difícil de manejar, ácido siulico nilglicilenuramínico no humano o Neu5Gc para abreviar. Neu5Gc se encuentra en todos los mamíferos, excepto en los humanos, porque los primeros humanos que podían producir Neu5Gc murieron a causa de un antiguo parásito de la malaria.

Sin embargo, aunque ahora carecemos de la capacidad de producir Neu5Gc, nuestros cuerpos aún tienen la capacidad de incorporarlo en los glucanos de nuestras células si lo obtenemos al comer carne roja. Una vez que se convierte en parte de la capa de glicano de nuestras células, nuestras células tienen una sustancia "extraña", Neu5Gc, que las rodea. Esto puede desencadenar una inflamación en todo el cuerpo porque nuestro sistema inmunológico reconoce a Neu5Gc como "extraño" y lo ataca. La inflamación crónica causada por estos ataques internos puede provocar un ataque cardíaco, un derrame cerebral e incluso cáncer.

Nuestros cuerpos sintetizan decenas de miles de glucanos únicos, a menudo con estructuras ramificadas formadas por simples bloques de construcción de azúcar. Las proteínas o grasas también pueden ser modificadas por docenas de glicanos únicos. Estas innumerables combinaciones hacen que el mapeo de los glucanos sea una tarea difícil porque necesitamos una forma práctica y eficiente de analizar cientos de miles de patrones de glicanos.

Nuestro equipo de investigación ahora ha desarrollado métodos para monitorear de forma rápida y robusta la ganancia humana. Al capitalizar los avances de ingeniería y las mejoras en el procesamiento de muestras, nuestra técnica puede monitorear miles de glicanos a la vez, lo que nos permite caracterizar los glicanos en células de controles sanos y pacientes con una variedad de enfermedades diferentes. Nuestro objetivo es utilizar estos datos para desarrollar modelos predictivos que ayuden a los médicos a diagnosticar y tratar todas las enfermedades humanas. Creemos que una nueva ola de avances médicos llegará cuando desbloqueamos el "código del azúcar".

Jenny Wang fue el co-autor principal de este artículo.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla y Jenny Wang. Lee el artículo original aquí.