Proteómica: sus beneficios en la alimentación, salud y nutrición

La proteómica es de enorme utilidad en la ciencia alimentaria, pues significa una fotografía de las proteínas presentes en cierta unidad biológica en un momento determinado. 

El proteoma se define como el total de proteínas producidas o modificadas por una unidad biológica (compartimiento celular, célula, tejido, órgano, individuo o población). Es altamente dinámico, refleja el ambiente inmediato en el que se encuentra el modelo de estudio y deja de manifiesto la respuesta a estímulos internos y externos.

La proteómica es una herramienta postgenómica que permite obtener una visión global e integrada de una unidad biológica mediante el estudio de las mezclas complejas de proteínas que constituyen los proteomas, en lugar de analizarlas y caracterizarlas individualmente como lo hace la bioquímica clásica de proteínas. 

El análisis proteómico involucra diferentes técnicas analíticas que permiten la identificación y cuantificación (absoluta o relativa) de péptidos y proteínas.

¿Para qué sirve la proteómica?

Un experimento proteómico incluye la extracción y purificación de la muestra de proteínas, seguido su separación (mediante métodos basados en geles y métodos libres de geles) acoplada al análisis mediante espectrometría de masas de los péptidos (resultado de la digestión de estas proteínas) y finalmente el análisis bioinformático que permite identificar y cuantificar proteínas.

El análisis proteómico basado en geles, implica el empleo de electroforesis bidimensional (2-DE) de proteínas, la visualización de estas mezclas de proteínas (por ejemplo mediante tinciones colorimétricas, colorantes y marcajes fluorescentes) o de algún tipo particular de proteínas (por ejemplo, tinción para proteínas fosforiladas o glicosiladas).

Después sigue el análisis cuantitativo basado en las imágenes obtenidas de los geles 2-DE, la digestión en gel (comúnmente con tripsina) de las manchas de proteína y el análisis de espectrometría de masas de los péptidos originados tras la digestión.

En el análisis proteómico libre de geles, una mezcla compleja de proteínas presentes en un extracto se digiere enzimáticamente y los péptidos resultantes (comúnmente se someten a marcaje químico) se analizan mediante cromatografía de líquidos acoplada a espectrometría de masas en tándem (LC-MS/MS).

Herramientas proteómicas

Este tipo de análisis es una poderosa herramienta que permite identificar proteínas presentes en muy baja abundancia, sin embargo, las modificaciones que afectan el punto isoeléctrico y la masa molecular de las proteínas pasan desapercibidas, por lo que ambos enfoques (basados en, o libres de geles) son complementarios.

El empleo de estas herramientas proteómicas, permite a los profesionales, analistas e investigadores en ciencia de los alimentos abordar diferentes retos actuales como: el desarrollo de metodologías sencillas y rápidas para su aplicación rutinaria en el análisis de alimentos; el análisis de matrices alimentarias complejas sometidas a un alto nivel de procesamiento y la cuantificación de analitos de interés con un alto grado de selectividad.

La proteómica se emplea con éxito en la autenticación de componentes alimenticios, lo que la convierte en una herramienta valiosa para su aplicación como estrategia analítica para cuestiones regulatorias, así como para el desarrollo de métodos rápidos y reproducibles para identificar marcadores de deterioro, la presencia de microorganismos patógenos y proteínas alergénicas, al igual que para el estudio de los cambios en los componentes de los alimentos como una consecuencia del procesamiento al que se someten.

También permite caracterizar y estandarizar materias primas, y detectar variaciones entre lote y lote, además de asegurar la calidad en los productos terminados, entre otras aplicaciones. En las líneas siguientes se amplía un poco el panorama acerca de algunas aplicaciones de la proteómica en la ciencia de los alimentos.

Autenticación de especies

La identificación de especies ha recaído tradicionalmente en la identificación de características anatómicas y morfológicas, que son difíciles de distinguir inequívocamente en particular cuando se trata de especies relacionadas, más aún si éstas se han sometido a algún tipo de procesamiento.

Durante las dos décadas anteriores se desarrollaron métodos inmunológicos y basados en amplificación de ADN para la autenticación de especies que, sin embargo, no están exentos de limitaciones. Por ejemplo, la efectividad de los métodos inmunológicos depende en gran medida de la estabilidad de las proteínas detectadas bajo las diversas condiciones de procesamiento de los alimentos.

Estas condiciones también afectan negativamente la integridad del ADN, limitando la aplicación de esta estrategia para la autenticación de los productos.

La proteómica permite la caracterización, detección y cuantificación de péptidos y proteínas especie específicos que, además pueden aplicarse a especies poco caracterizadas a nivel genómico.

La identificación de péptidos diagnósticos se realiza comúnmente a través de métodos basados en geles (Bottom-Up Proteomics), mientras que en una segunda fase se emplean herramientas proteómicas libres de geles (Top-Down Proteomics) para detectar de manera automática y altamente reproducible los biomarcadores previamente caracterizados con una alta especificidad y sensibilidad.

Esta estrategia se emplea con gran éxito en la autenticación de peces, cerdo, res, pollo, pavo y soya, permite igualmente detectar la adulteración de productos con hasta el 0.5% de carne o proteína de otra fuente incluso después de someterse a procesos de cocción.

La identificación de péptidos específicos mediante herramientas proteómicas también permite determinar el origen de alimentos con denominación de origen (como algunos quesos) o detectar la presencia de pequeñas cantidades de proteínas de soya o leche en productos industrializados o preparaciones a base de proteína.

Identificación de microorganismos

La contaminación de los alimentos durante su procesamiento es causa de enfermedades de origen alimentario e importantes pérdidas económicas para la industria.

Si bien la identificación de microorganismos se basa con frecuencia en enfoques morfológicos, bioquímicos y de técnicas de amplificación de ADN, las técnicas proteómicas se han introducido como un instrumento para identificar bacterias patógenas e indicadoras del deterioro de los alimentos a través de sus huellas dactilares moleculares mediante un análisis MALDI-TOF-MS.

Éste permite la identificación de patrones característicos de las proteínas más abundantes que se utilizan para identificar con fiabilidad y precisión un microorganismo particular mediante la comparación del patrón respectivo con una amplia base de datos para determinar la identidad del microorganismo hasta el nivel de especie.

Por citar algunos ejemplos, se ha identificado la presencia de diversas cepas de Listeria en carnes, lácteos y vegetales, así como diversas cepas de Salmonella en pollo, pavo, cerdo y res. Además de varias decenas de bacterias gram positivas y gram negativas en productos marinos, al igual que de diversas bacterias productoras de toxinas.

Detección de proteínas alergénicas en alimentos

Algunas de las proteínas presentes en varios alimentos principalmente de origen vegetal como las nueces, animal como el caso de la leche y sus derivados, además de diversos productos marinos, son capaces de desencadenar reacciones alérgicas en quienes las consumen.

En estos casos, el empleo de electroforesis bidimensional (2-DE) y la detección mediante western blot de las proteínas presentes en los alimentos, que reconocen los anticuerpos de la clase IgE de los pacientes alérgicos y su identificación mediante espectrometría de masas, ilustra otro ejemplo del empleo de la proteómica en la ciencia de los alimentos.

Aunque la utilidad de los estudios proteómicos como una herramienta para la ciencia de los alimentos queda de manifiesto con los ejemplos mostrados en los párrafos anteriores, donde la proteómica basada en geles bidimensionales se emplea en la fase de caracterización y descubrimiento, mientras que los métodos libres de geles son los de elección para el análisis dirigido a la identificación y cuantificación de las proteínas y péptidos que sirven como biomarcadores.

Los avances en los métodos de fragmentación y en general en la instrumentación en espectrometría de masas, aunado al desarrollo de nuevas metodologías, nos hacen vislumbrar un futuro aún más prometedor en donde la proteómica seguramente tendrá un papel central como herramienta imprescindible para abordar los desafíos que enfrenta la ciencia de los alimentos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
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6. International Journal of Plant Genomics, (2012); Article ID 494572, 1-17.
7. Journal of Proteomics. (2016); 147, 28-39.

Por Dr. José Ángel Huerta Ocampo, Doctor en Ciencias en Biología Molecular por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica A. C.