Metabolômica

é o estudo científico que visa identificar e quantificar o conjunto de metabólitos - o metaboloma - produzidos e/ou modificados por um organismo.Villas-Bôas, S. G.; Gombert, A. K. "Análise do Metaboloma", Biotecnologia: Ciência & Desenvolvimento, v.9, n.36, p.58-69, 2006 O metaboloma representa o conjunto de todos os metabólitos em uma célula, fluido biológico, tecido ou organismo, sendo estas substâncias consideradas os produtos finais dos processos celulares. Enquanto os dados de expressão génica de ARNm e análises proteómicas fornecem parte das informações dos eventos que ocorrem na célula ou organismo, o perfil metabólico pode fornecer um panorama geral sobre o estado fisiológico. Em consideração a estas possibilidades, as ferramentas da metabolômica encontram aplicações em diversas áreas como a toxicologia, a biologia sistêmica e genômica funcional.

Além de questões técnicas e instrumentais enfrentadas pelos pesquisadores desta área, outro importante desafio é a interpretação dos dados gerados pelas análises dos metabólitos, para o desenvolvimento dos conceitos de biologia sistémica e genómica funcional.

Histórico

A ideia de que os componentes dos fluidos biológicos refletem a saúde de um indivíduo existe desde a antiguidade. Os antigos médicos chineses usavam formigas para a avaliar a urina de pacientes, no intuito de detectar se a urina continha altos níveis de glicose e, portanto, diagnosticar diabetes.Van der greef and Smilde, J Chemomet, (2005) 19:376-386 Na Idade Média, foram utilizadas "tabelas de urina" para vincular as cores, sabores e cheiros da urina a várias quadros clínicos, que são metabólicas em sua origem.

thumb|right|180px|Metabolômica aplicada ao diagnóstico de doenças: a detecção ou variação de determinados metabólitos em plasma sanguíneo (imagem), urina, lágrima e outros fluidos biológicos poderiam sugerir o estado de saúde de um indivíduo

O conceito de que cada indivíduo poderia ter um "perfil metabólico" e que este seria refletido na composição de seus fluidos biológicos foi introduzido por Roger Williams no final da década de 1940.Gates and Sweeley, Clin Chem (1978) 24(10):1663-73 Utilizando cromatografia em papel, Williams e integrantes de seu grupo de estudos sugeriram padrões metabólicos característicos na urina e saliva, associando-os a doenças como a esquizofrenia. No entanto, foi somente através de avanços tecnológicos nas décadas de 1960 e 1970 que se tornou viável a análise quantitativa para estudar perfis metabólicos.Preti, George. "Metabolomics comes of age?" The Scientist, 19:8, June 6, 2005. O termo "perfil metabólico" foi introduzido por Horning e colaboradores em 1971, após demonstrarem que a cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC-MS) poderia ser utilizada para detectar os compostos presentes na urina e extrato de tecidos humanos.Novotny et al J Chromatog B (2008) 866:26-47 Durante os anos 70, o grupo de Horning, juntamente com o de Linus Pauling e Arthur Robinson, desenvolveram metodologias de análise por GC-MS para monitorar os metabólitos presentes na urina.Griffiths, W.J. and Wang, Y. (2009) Chem Soc Rev 38:1882-96

Outra importante técnica para elucidação estrutural, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) desenvolvida na década de 1940, também sofreu rápidos avanços tecnológicos. Em 1974, Seeley e colaboradores demonstraram a utilidade de usar a RMN para detectar metabólitos em amostras biológicas não modificadas. Este primeiro estudo - realizado em células musculares - determinou que 90% do ATP celular está complexado com magnésio. Em 1984, Nicholson mostrou que a utilização de RMN de hidrogênio 1 poderia potencialmente ser usada ​​para diagnosticar diabetes mellitus, sendo mais tarde pioneiro na aplicação de métodos de reconhecimento de padrões de dados espectroscópicos.Holmes E and Antti H (2002) Analyst 127:1549-57Lenz EM and Wilson ID (2007) J Proteome Res 6(2):443-58

thumb|left|180px|Linus Pauling: um dos cientistas que contribuíram para o avanço das metodologias de análise de metabólitos em fluidos biológicos.

O termo «metaboloma» foi citado pela primeira vez na literatura científica em 1998, por Oliver e colaboradores. Já o termo "metabolômica" foi cunhado em analogia a transcriptômica e proteômica. Esta área experimentou considerável desenvolvimento principalmente para responder a questões da biologia sistêmica. Dentre estas questões, pode ser citado o fato de que os níveis de transcrição do RNAm não refletem necessariamente a atividade de proteínas expressas, ou seja, uma vez traduzidas, as proteínas - os produtos finais da expressão gênica - podem ou não desempenhar suas funções, podendo permanecer inativas. Deste modo, alterações no transcritoma e no proteôma de um indivíduo podem não corresponder às mudanças fenotípicas. Assim, para o desenvolvimento do conceito de biologia sistêmica, a metabolômica forneceria informações mais apropriadas para solucionar este problema. A presença dos metabólitos representa uma informação integrativa da função celular em nível molecular, definindo assim o fenótipo de uma célula ou tecido em resposta a alterações ambientais ou genéticas. A identificação de metabólitos é então um complemento fundamental para determinar a função de um gene.

Em 2005, o primeiro banco de dados de metabolômica para a caracterização de metabólitos humanos, o METLIN foi desenvolvido por pesquisadores do laboratório Siuzdak no Scripps Research Institute e este continha informação sobre mais de 5.000 metabólitos além de dados espectroscópicos de massa em tandem. Em 2011, o METLIN possuía registrado aproximadamente 40.000 metabólitos, sendo o maior repositório de dados de espectrometria de massa em tandem da área de metabolômica.

Em 23 de janeiro de 2007, o grupo envolvido no projeto Metaboloma Humano, liderado pelo Dr. David Wishart da Universidade de Alberta no (Canadá), completaram o primeiro esboço do metaboloma humano, que consistia em um banco com dados de aproximadamente 2.500 metabólitos, 1.200 fármacos e 3.500 componentes dos alimentos. Estas informações estão disponíveis no Human Metabolome Database (www.hmdb.ca) e com base na análise de informações disponíveis na literatura científica atual, está longe de ser completada. Em contraste, existem muito mais informações sobre os metabolomas de outros organismos do que o de humanos. Em espécies vegetais por exemplo, já foram caracterizados mais de 50.000 metabólitos, e milhares de outros já foram identificados e/ou caracterizados em plantas individuais. Medicago truncatula e Arabidopsis thaliana são os dois principais modelos de espécies vegetais nos projetos de metabolômica em andamento.

Ainda em meados de 2010, a metabolômica ainda era considerada um campo emergente. Além disso, nota-se que progressos nesta área dependem primordialmente de respostas aos diversos desafios técnicos enfrentados nas instrumentações usadas nas pesquisas.

Metabólitos

thumb|right|180px|Mapa metabólico: metabólitos são todos os intermediários e produtos do metabolismo de determinado organismo

Metabólitos são intermediários e produtos do metabolismo. Dentro do contexto da metabolômica, um metabólito é geralmente definido como qualquer molécula menor que 1 kDa. No entanto, existem exceções a esta, dependendo da amostra e do método de detecção. Por exemplo, macromoléculas como as lipoproteínas e albumina são detectadas de forma segura em estudos metabolômicos do plasma sanguíneo usando a técnica de RMN.

Em termos de diversidade química, os metabólitos encontrados em uma amostra podem ser espécies iônicas, carboidratos hidrofílicos, álcoois e cetonas voláteis, aminoácidos, ácidos orgânicos, lipídeos hidrofóbicos e no caso das plantas, também produtos naturais complexos. A [concentração destas substâncias na amostra pode variar desde pmoles até mmoles.

Tratando-se de plantas, é habitual a distinção entre metabólitos primários e metabólitos secundários. Os metabólitos primários estão diretamente envolvidos no crescimento, reprodução e desenvolvimento vegetal; já os metabólitos secundários geralmente não estão diretamente envolvidos nesses processos, mas possuem funções ecológicas importantes, como atração de polinizadores, ação antibiótica e pigmentação. Em contraste, nos estudos de metabolômica em seres humanos é comum classificar os metabólitos como endógenos (produzidos pelo organismo) ou exógenos. Metabólitos que são produtos de degradação de substâncias estranhas ao organismo, tais como fármacos e drogas são chamados xenometabólitos.

O metaboloma forma uma grande rede de reações metabólicas, onde os produtos de uma reação química enzimática são insumos para outras reações. Tais sistemas têm sido descritos como hiperciclos.

Metabonômica

Metabonômica é definido como "a medida quantitativa da resposta metabólica multiparamétrica dinâmica de sistemas vivos a estímulos fisiopatológicos ou modificação genética". A origem do termo vem do grego meta que significa mudança e nomos que significa um conjunto de regras ou conjunto de leis. Jeremy Nicholson, do Imperial College London, foi o pioneiro a usar esta abordagem e atualmente é utilizada em toxicologia, para diagnosticar doenças e em uma série de outros campos. Historicamente, a metabonômica foi um dos primeiros métodos para aplicar o conceito de biologia de sistemas aos estudos de metabolismo.

Houve algumas divergências sobre as diferenças exatas entre "metabolômica" e "metabonômica". A diferença entre os dois termos não está relacionada à escolha da plataforma analítica - embora metabonômica esteja mais associada à espectrometria de RMN e metabolômica à espectrometria de massas - isto ocorreu simplesmente devido aos usos entre os diferentes grupos de pesquisas que popularizaram os termos.

Enquanto ainda não há concordância absoluta sobre o uso dos dois termos, há um consenso crescente de que a metabolômica dá maior ênfase ao perfil metabólico em nível celular/órgão e está principalmente preocupada com o metabolismo endógeno normal. Já a metabonômica estende o perfil metabólico ao incluir informações sobre perturbações causadas por fatores ambientais (incluindo dieta e toxinas), processos de doença e o envolvimento de influências extragenômicas, como exemplo a microflora intestinal. Esta não é uma diferença trivial: estudos metabolômicos deveriam, por definição, excluir os dados provenientes de fontes metabólicas extragenômicas, justamente porque estas não pertencem ao sistema em estudo. No entanto, na prática, dentro do campo da pesquisa de doenças humanas, existe ainda um grande grau de sobreposição na forma como ambos os termos são usados​​, e eles são muitas vezes usados como sinônimos.

Tecnologias analíticas

Métodos de separação

thumb|right|180px|Cromatografia gasosa: metodologia de separação empregada especialmente para análise de substâncias voláteis

Uma das etapas para análise de uma amostra complexa, mas não obrigatória, é a aplicação de metodologias cromatográficas visando a separação dos metabólitos. Uma amostra pode conter dezenas, centenas ou mesmo milhares de substâncias. Experimentalmente, é possível isolar parte destes compostos, para que posteriormente, estes sejam identificados através de métodos de elucidação estrutural. Embora o metaboloma possa ser analisado prontamente, ainda não é possível monitorar toda a gama de metabólitos de uma amostra utizando apenas uma único método analítico.