La metaproteómica (también denominada proteómica comunitaria , proteómica ambiental o proteogenómica comunitaria ) es un término general que se utiliza para describir los métodos experimentales que estudian todas las proteínas de las comunidades microbianas y los microbiomas de origen ambiental . La metaproteómica se utiliza para clasificar los experimentos que se ocupan de todas las proteínas identificadas y cuantificadas de comunidades microbianas complejas. Los métodos de metaproteómica son comparables a la genómica ambiental centrada en los genes o metagenómica . [1] [2]
El término "metaproteómica" fue propuesto por Francisco Rodríguez-Valera para describir los genes y/o proteínas expresados de forma más abundante en muestras ambientales. [3] El término se derivó de "metagenoma". Wilmes y Bond propusieron el término "metaproteómica" para la caracterización a gran escala de todo el complemento proteico de la microbiota ambiental en un momento dado. [4] Al mismo tiempo, los términos "proteómica de la comunidad microbiana" y "proteogenómica de la comunidad microbiana" a veces se utilizan indistintamente para diferentes tipos de experimentos y resultados.
La metaproteómica permite a los científicos comprender mejor las funciones de los genes de los organismos, ya que los genes del ADN se transcriben a ARN mensajero que luego se traduce a proteínas. Por lo tanto, los cambios en la expresión genética se pueden monitorear a través de este método. Además, las proteínas representan la actividad y la estructura celular, por lo que el uso de la metaproteómica en la investigación puede conducir a información funcional a nivel molecular. La metaproteómica también se puede utilizar como una herramienta para evaluar la composición de una comunidad microbiana en términos de contribuciones de biomasa de especies individuales en la comunidad y, por lo tanto, puede complementar los enfoques que evalúan la composición de la comunidad en función del recuento de copias de genes, como el amplicón del gen ARNr 16S o la secuenciación del metagenoma. [5]
El primer experimento de proteómica se llevó a cabo con la invención de la electroforesis en gel de poliacrilamida bidimensional (2D-PAGE). [6] [7] En los años 1980 y 1990 se desarrolló la espectrometría de masas y la proteómica basada en espectrometría de masas. La proteómica actual de la comunidad microbiana hace uso de la separación basada en gel (unidimensional y bidimensional) y de la cromatografía líquida no basada en gel, donde ambas se basan en la identificación de péptidos basada en espectrometría de masas.
Si bien la proteómica es en gran medida un enfoque basado en el descubrimiento que se complementa con otras técnicas moleculares o analíticas para proporcionar una imagen completa del sistema en cuestión, no se limita a la simple catalogación de las proteínas presentes en una muestra. Con las capacidades combinadas de los enfoques "de arriba hacia abajo" y "de abajo hacia arriba" , la proteómica puede abordar investigaciones que van desde la cuantificación de la expresión génica entre condiciones de crecimiento (ya sean nutricionales, espaciales, temporales o químicas) hasta la información estructural de las proteínas . [1]
Un estudio metaproteómico del microbioma oral humano encontró 50 géneros bacterianos mediante proteómica shotgun . Los resultados coincidieron con el Proyecto del Microbioma Humano, un enfoque basado en la metagenómica. [8]
De manera similar, los enfoques metaproteómicos se han utilizado en estudios clínicos más amplios que vinculan el proteoma bacteriano con la salud humana. Un artículo reciente utilizó la proteómica shotgun para caracterizar el microbioma vaginal, identificando 188 especies bacterianas únicas en 688 mujeres analizadas. [9] Este estudio relacionó los grupos del microbioma vaginal con la eficacia de los medicamentos antirretrovirales tópicos para prevenir la adquisición del VIH en mujeres, lo que se atribuyó al metabolismo bacteriano del medicamento in vivo. Además, se han utilizado enfoques metaproteómicos para estudiar otros aspectos del microbioma vaginal, incluidas las consecuencias inmunológicas e inflamatorias de la disbiosis microbiana vaginal, [10] así como la influencia de los anticonceptivos hormonales en el microbioma vaginal. [11]
Además de los microbiomas oral y vaginal , varios estudios del microbioma intestinal han utilizado enfoques metaproteómicos. Un estudio de 2020 realizado por Long et al. ha demostrado, utilizando enfoques metaproteómicos, que la patogénesis del cáncer colorrectal puede deberse a cambios en el microbioma intestinal . Varias proteínas examinadas en este estudio se asociaron con la ingesta y el transporte de hierro , así como con el estrés oxidativo , ya que un alto contenido de hierro intestinal y el estrés oxidativo son indicativos de cáncer colorrectal. [12]
Otro estudio realizado en 2017 por Xiong et al. utilizó metaproteómica junto con metagenómica para analizar los cambios en el microbioma intestinal durante el desarrollo humano . Xiong et al. descubrieron que el microbioma intestinal infantil puede estar poblado inicialmente por anaerobios facultativos como Enterococcus y Klebsiella , y luego poblado por anaerobios obligados como Clostridium , Bifidobacterium y Bacteroides . Si bien el microbioma intestinal humano cambió con el tiempo, las funciones metabólicas microbianas se mantuvieron constantes, incluido el metabolismo de carbohidratos , aminoácidos y nucleótidos . [13]
Un estudio similar realizado en 2017 por Maier et al. combinó metaproteómica con metagenómica y metabolómica para mostrar los efectos del almidón resistente en el microbioma intestinal humano. Después de que los sujetos consumieran dietas ricas en almidón resistente, se descubrió que varias proteínas microbianas se alteraron, como la butirato quinasa , la enoil coenzima A ( enoil-CoA ) hidratasa, la fosfotransacetilasa , la adenilosuccinato sintasa , las adenina fosforribosiltransferasas y las guanina fosforribosiltransferasas . Los sujetos humanos experimentaron aumentos en la abundancia de colipasa , triglicéridos lipasa pancreática y lipasa estimulada por sales biliares, mientras que también experimentaron una disminución en la α-amilasa . [14]
En general, la metaproteómica ha ganado una inmensa popularidad en los estudios del microbioma intestinal humano, ya que ha conducido a importantes descubrimientos en el campo de la salud. [ cita requerida ]
La metaproteómica ha sido especialmente útil en la identificación de microbios involucrados en varios procesos de biodegradación. Un estudio de 2017 realizado por Jia et al. ha demostrado la aplicación de la metaproteómica en el examen de los perfiles de expresión de proteínas de microorganismos productores de biocombustibles. Según este estudio, las proteínas bacterianas y arqueales están involucradas en la producción de biocombustibles derivados del hidrógeno y el metano. Las proteínas bacterianas involucradas son la ferredoxina-NADP reductasa, la acetato quinasa y la NADH-quinona oxidorreductasa que se encuentran en los taxones Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria y Bacteroidetes . Estas proteínas particulares están involucradas en el metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos. Las proteínas arqueales involucradas son la acetil-CoA descarboxilasa y la metil-coenzima M reductasa que se encuentran en Methanosarcina . Estas proteínas participan en vías bioquímicas que involucran la utilización de ácido acético, la reducción de CO2 y el uso de nutrientes de metilo. [15]
El primer método de cuantificación para metaproteómica fue reportado por Laloo et al. 2018 en un reactor biológico diseñado enriquecido para bacterias oxidantes de amoníaco y nitrito. [16] Aquí los autores utilizaron un método de cuantificación SWATH-MS robusto (requerimiento de proteína 5 μg) para estudiar el cambio en los niveles de expresión de proteína a una condición perturbada. El estudio señaló que los cambios en la expresión de proteína de las especies dominantes es decir, las bacterias oxidantes de amoníaco se observaron claramente, pero esto no fue así para las bacterias oxidantes de nitrito que se encontraron en baja abundancia.
Un estudio de 2019 realizado por Li et al. ha demostrado el uso de la metaproteómica para observar la expresión de proteínas de los genes de degradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Los autores de este estudio se centraron específicamente en identificar las comunidades microbianas degradables en lodos activados durante el tratamiento de aguas residuales, ya que los HAP son contaminantes de aguas residuales muy frecuentes. Demostraron que las bacterias Burkholderiales están muy implicadas en la degradación de los HAP y que las proteínas bacterianas están implicadas en la replicación del ADN, el metabolismo de los ácidos grasos y la glucosa, la respuesta al estrés, la síntesis de proteínas y el metabolismo de los hidrocarburos aromáticos. [17]
Un estudio similar realizado en 2020 por Zhang et al. implicó la elaboración de perfiles metaproteómicos de microorganismos que degradan colorantes azoicos. Como los colorantes azoicos son contaminantes industriales peligrosos, se utilizó la metaproteómica para observar el mecanismo general de biodegradación. Se identificaron cepas de Pseudomonas Burkholderia, Enterobacter, Lactococcus y Clostridium mediante secuenciación metagenómica de escopeta, y se descubrió que muchas proteínas bacterianas mostraban actividad degradativa. Estas proteínas identificadas mediante metaproteómica incluyen aquellas involucradas en el ciclo del TCA, la glucólisis y la deshidrogenación de aldehídos. Por lo tanto, la identificación de estas proteínas llevó a los científicos a proponer posibles vías de degradación de colorantes azoicos en Pseudomonas y Burkholderia . [18]
En general, la metaproteómica es aplicable no sólo a estudios de salud humana, sino también a estudios ambientales que involucran contaminantes potencialmente dañinos.