PROTEÓMICA ¿Una herramienta o una utopía? · • Que es la proteómica? • Metodologías...
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PROTEPROTEÓÓMICA MICA ¿¿Una herramienta o una utopUna herramienta o una utopíía?a?
Blanca Gómez GuerreroDepartamento de Cereales
Laboratorio Tecnológico del Uruguay
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ContenidoContenido
• Que es la proteómica?
• Metodologías utilizadas
• Aplicaciones en el área de los alimentos
• Conclusiones
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ProteProteóómicamica
• Estudio del proteoma
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ProteomaProteoma
• Es la totalidad de las proteínas presentes en una muestra biológica (tejido, organelo, fluído celular)
• Sistema dinámico (altamente variable):
§ Genes
§ Factores externos:
• Estado de desarrollo
• Estado metabólico
• Tipo de tejido
• Interacción con otros organismos
• Sustancias químicas
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ProteomaProteoma
• Refleja el proceso biológico que está ocurriendo en el sistema que se está investigando
• Permite conocer los procesos metabólicos que ocurren en el sistema ayudando a predecir la reacción frente a ciertas condiciones
• Brinda la posibilidad de utilizar proteínas como marcadores característicos de ciertas propiedades, ej: enfermedades
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ProteProteóómicamica
• Estudio del proteoma
• Objetivo entender las diferencias entre dos proteomas en diferente estados, ej: enfermo vs sano, tratado vs no tratado
• Debido a la complejidad de los sistemas, las metodologías analíticas enfrentan grandes desafíos
§ Células contienen miles proteínas diferentes
• Alta eficiencia en los métodos de separación
• Herramientas bioinformáticas para manejar gran cantidad de datos
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ProteProteóómicamica
§ Concentración de las proteínas varía inmensamente según el sistema biológico
• Abundantes proteínas – limitado interés
• Poco abundantes – importantes
• Raramente se diferencian por presencia y/o ausencia, sino en los niveles de expresión
§ La identificación debe ser relacionada con la estructura y funcionalidad
• Métodos altamente sensibles para la identificación
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MetodologMetodologííasas
• Separación de proteínas:
§ Proteínas en su estado original (gral plantas)
• Buffer isotónicos (previene lisis celular)
• Centrifugación diferencial (fracciones)
• Las fracciones individuales – centrifugación en gradiente de densidad de sacarosa
§ Todas las proteínas solubilizadas (gral alimentos)
• Fuerte agente caiotrópico (urea) - rompe los enlaces intermoleculares
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MetodologMetodologííasas
• Para analizar todas las proteínas de un proteoma:
§ Proteínas intactas son resueltas por IEF (punto isoeléctrico) seguido por un gel SDS-PAGE
§ Proteínas son hidrolizadas a péptidos y luego estos analizados por LC/MS , Identificación proteica multidimensional (MUDPIT), o 2D-LC
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Geles en dos dimensionesGeles en dos dimensiones
• Técnica muy popular – más de 30 años
• Limitada a proteínas de PM 10-250 kDa
• Principal ventaja - proteínas son analizadas de manera intacta
Barnes et al., 2004PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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Geles en dos dimensionesGeles en dos dimensiones
• Comparando la posición de las proteínas bajo dos tratamientos diferentes, el efecto del tratamiento puede ser determinado
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Geles en dos dimensionesGeles en dos dimensiones
Barnes et al., 2004PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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Geles en dos dimensionesGeles en dos dimensiones
• Mayor consistencia en los resultados - tinte con Cianinas (Cy3 y Cy5)
• Los grupos Lys son marcados con un tinte fluorescente
• Cada tratamiento es marcado con un Cy de distinto color
• Las muestras marcadas son mezcladas y corridas juntas en el mismo gel de 2D
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Geles en dos dimensionesGeles en dos dimensiones
• Elimina la variación entre gel y gel
• Resulta más fácil y clara la comparaciónBarnes et al., 2004
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Geles en dos dimensionesGeles en dos dimensiones
• Software de análisis de imagen son necesarios
• Una vez identificada la proteína se remueve del gel
§ Manualmente
• Riesgos de contaminación de la muestra (queratina)
§ Robots
• Más limpio y preciso
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CaracterizaciCaracterizacióón e identificacin e identificacióónn
• La región de interés removida del gel es lavada
• Tripsina – corta en los grupos Lys y Arg
• Set de péptidos
Columna de fase reversa
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CaracterizaciCaracterizacióón e identificacin e identificacióónn
• Para determinar el PM de los péptidos de manera precisa y rápida
§ MALDI- desorción/ionización láser asistida por matriz - evapora los péptidos
§ Time of flight (TOF) – analizador de masa con detector de iones
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MALDIMALDI--TOFTOF
Tiempo de viaje hasta el detector = √PM
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CaracterizaciCaracterizacióón e identificacin e identificacióónn
• Cada set de péptidos tiene su PM característico
• El perfil de PM de los péptidos (mass fingerprint) es característico de cada proteína
• El perfil puede ser comparado contra el set de péptidos esperado para esa proteína , calculado por la computadora usando las base de datos
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CaracterizaciCaracterizacióón e identificacin e identificacióónn
• Necesario determinar la secuencia de amino ácidos:
§ Secuenciación del N terminal por degradación de Edman
§ Espectrometría en tandem es un método rápido y con buena sensibilidad – datos MS/MS
• Quadropolo con captura de iones
• Triple quadropolo
• TOF-TOF
Ionización por Electrospray (ESI)
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IonizaciIonizacióón por electrosprayn por electrospray
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IonizaciIonizacióón por electrosprayn por electrospray
• La sensibilidad del método depende de la concentración de péptidos en el solvente
• Utilizando LC con diámetros internos de columna pequeños, disminuye el vol inyectado aumentado la sensibilidad 748 veces – nano LC
Espectrometría en tandem Nano LC-ESI
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CaracterizaciCaracterizacióón e identificacin e identificacióónn
• TOF –TOF : contiene una puerta selectora de iones permitiendo la entrada de algunos iones a la cámara colisión y así generar nuevos iones a partir del original
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Aplicaciones en alimentosAplicaciones en alimentos
• Composición de los alimentos
• Seguridad alimentaria de alimentos genéticamente modificados (GM)
• Adulteración de alimentos
• Identificación de alérgenos
• Actividad fisiológica de componentes alimenticios
• Efecto del proceso y almacenamiento en las proteínas
• Mejora de la calidad de los alimentos
Pischetsrieder and Baeuerlein, 2009PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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ComposiciComposicióón de los alimentosn de los alimentos
• Ha sido estudiada por varias décadas por métodos bioquímicos
• Análisis del proteoma permite conocer el comportamiento de las proteínas poco abundantes
§ Relevancia fisiológica
§ Relevancia tecnológica
• Ej proteínas de la leche (O’Donell et al., 2004)
§ 18 proteínas poco abundantes fueron identificadas
§ Membrana globular de la grasa – se identificaron 38 nuevas proteínas
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ComposiciComposicióón de los alimentosn de los alimentos
• Proteínas de cebada (Bobalova et al., 2008)
§ Investigar el efecto del malteo y el proceso cervecero sobre la composición proteica
§ MALDI-TOF-TOF
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Seguridad alimentos GMSeguridad alimentos GM
• Principio de equivalencia sustancial: la composición de alimento GM debe ser igual a la del alimento tradicional = alimento seguro
• Método clásico: análisis de nutrientes claves (carbohidratos, ácidos grasos, amino ácidos)
§ Desventaja: no tiene en cuenta procesos de transformación
• Análisis del proteoma
§ Permite identificar cambios de transformación, disrupción de genes o regulación de genes
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Seguridad alimentos GMSeguridad alimentos GM
• Ej Tomates con resistencia a virus (Corpillo et al., 2004)
§ Patrones similares
§ Niveles de expresión similares
Tipo salvaje Genéticamente Modificado
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Seguridad alimentos GMSeguridad alimentos GM
• Ej. Semillas de maíz resistentes a insectos
§ Efecto del ambiente – 100 proteínas diferentes
§ Efecto ingeniería genética – 43 proteínas diferentes
• Método de transformación - técnica de bombardeo de partículas, es más destructivo
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AdulteraciAdulteracióón de alimentosn de alimentos
• Producto alimenticio debería estar etiquetado con una descripción inequívoca de su contenido
§ Remplazo manteca de cacao por otras grasas en la producción de chocolate
§ Alta calidad de café mezclados con los de baja calidad
• La autenticación del alimento se logra detectando marcadores, característicos de los sustitutos, específicamente proteínas
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AdulteraciAdulteracióón de alimentosn de alimentos
• Ej contaminación de productos cárnicos con tejidos del Sistema Nervioso Central (SNC)
§ Se identificaron alrededor de 30 proteínas por el perfil de péptidos
§ Las proteínas presentes en el cerebro del bovino, pero no presentes en el músculo se consideraron candidatas
§ La proteínas que presentaran mayor niveles de expresión serían seleccionadas como marcadores
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AdulteraciAdulteracióón de alimentosn de alimentos
• Pescados
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IdentificaciIdentificacióón de aln de aléérgenosrgenos
• Alergias a los alimentos son reacciones adversas a ciertos componentes del alimento, mediada por una reacción inmunológica (proteínas –IgE)
• Nuevo producto en el mercado – crucial estudiar el potencial de alergenicidad
• Análisis del proteoma requiere un estudio más dirigido, se estudian sólo las proteínas que están ligadas a cierta bioactividad
§ Separación geles 2D
§ Western blot análisis incubado con suero de pacientes alérgicos midiendo la unión de IgE
§ Proteínas-IgE analizadas por MSPDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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IdentificaciIdentificacióón de aln de aléérgenosrgenos
• Ej proteínas de trigo (Sotvoský et al., 2008)
§ De 800 puntos – 80 mostraron inmunoactividad con IgE – 21 puntos fueron analizados con MS
§ Inhibidores de alfa amilasa fueron detectados como los activadores de la reacción
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Actividad fisiolActividad fisiolóógicagica
• Hipótesis: la nutrición tiene un fuerte impacto en el desarrollo de muchas enfermedades
• Sigue siendo difícil conectar un efecto fisiológico con un componente químico de un alimento
• Análisis del proteoma
§ Conocer las consecuencias celulares de los componentes del alimento
§ Acelerar la búsqueda ingredientes bioactivos relevantes en los alimentos
• Para estudiar la actividad fisiológica se utilizan cultivos celulares
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Efecto del proceso y Efecto del proceso y almacenamientoalmacenamiento
• Durante el procesamiento y almacenamiento de alimentos - modificaciones no enzimáticas post traduccionales de las proteínas (nePTMs)
§ Reacciones de oxidación
§ Reacción de Maillard
§ Condensación
§ Hidrólisis de cadenas laterales
• nePTMs consecuencias significativas sobre las propiedades tecnológicas, nutricionales y toxicológicas
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Mejora de la calidad de los alimentosMejora de la calidad de los alimentos
• Ciencia de los alimentos
§ Entender el efecto de la cadena de procesos sobre las propiedades del alimento
§ Lograr la mejor calidad con el menor costo de producción
• Prácticas agronómicas influyen la calidad del producto
§ Ej producción de papas (Lehesranta et al., 2007)
• Orgánica vs convencional
• Geles 2D-MS
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Mejora de la calidad de los alimentosMejora de la calidad de los alimentos
• Tipo de fertilización influencia significativa en la composición proteica -160 proteínas diferentes
• La fertilización orgánica genera mayor estrés en la papa, ↑ número de proteínas asociadas a la respuesta de estrés
Convencional Orgánica
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ProteProteóómica en el Uruguaymica en el Uruguay
• LATU
• Dpto Cromatografía y Espectrometría de Masa § 2 Cromatógrafo Gaseoso con Detector de Micro Captura
Electrónica
§ Cromatógrafo Gaseoso con Detector de Captura Electrónica
§ Cromatógrafo Gaseoso con Detector de NPFID
§ 2 Cromatógrafo Gaseoso con Detector de Masa con Ionización de Impacto Electrónico
§ Head Space conectado a un Cromatógrafo Gaseoso con Detector de Masa
§ HPLC con Detector de Arreglo de Diodos
§ HPLC con Detector de Fluorescencia
§ HPLC con Detector Índice de Refracción
§ HPLC con Detector UV de onda variable
§ LC MS/MS Triple CuadrupoloPDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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ProteProteóómica en el Uruguaymica en el Uruguay
§ Calidad de los ensayos, UKAS y SQS.
§ Residuos de plaguicidas (más de 60), solventes antibióticos, Policloruro de bifenilo (PCB), Vitaminas, Azúcares, Lípidos, entre otros
§ AOAC Int. - Cómite Técnico “E” de “Food and Food Nutrition”
§ Proyectos de investigación aplicada (perfil de ácidos grasos en la leche; buenas prácticas agrícolas - arroz
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ProteProteóómica en el Uruguaymica en el Uruguay
• Polo Tecnológico – Fac. Química
• Unidad de Servicios Tecnológicos
§ Proyectos de I + D
§ Asesoramiento técnico y legal en propiedad intelectual y ambiental
§ Instalación de empresas de base tecnológica en régimen de incubación
§ Consultorías en nuevas tecnologías
§ Cuentan con equipamiento de MS, MALDI-TOF entre otros
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ProteProteóómica en el Uruguaymica en el Uruguay
• Instituto Pasteur Montevideo
• Unidad Tecnológica de Bioquímica y Proteómica Analíticas§ Sistemas de cromatografía líquida de baja presión;
§ Sistemas de HPLC a escalas analítica y micro;
§ Sistemas para electroforesis 1D y 2D;
§ Liofilización y concentración de muestras líquidas;
§ Espectrofotometría UV-VIS (DMS200 y Cary 50, Varian);
§ Espectrofluorometría (Cary Eclipse, Varian);
§ Espectrómetro de masa MALDI TOF, modelo Voyager DE-PRO (Applied Biosystems, Framingham, E.U.A.);
§ Espectrómetro de masa MALDI TOF/TOF, modelo 4800 Analizer (Applied Biosystems, Framingham, E.U.A.)
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ProteProteóómica en el Uruguaymica en el Uruguay
§ Análisis de muestras por (electroforesis) SDS-PAGE en 1D
§ Análisis de muestras en geles 2D (IEF/SDS PAGE)
§ Análisis de péptidos y proteínas por HPLC (fase reversa, intercambio iónico, gel filtración, etc.)
§ Determinación de masa de proteínas/péptidos (moléculas enteras);
§ Identificación de proteínas por mapeo peptídico con tripsina y búsqueda en bancos de datos de secuencia
§ Análisis de modificaciones postraduccionales
§ Secuenciación parcial de péptidos por MS/MS
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ConclusionesConclusiones
• La Proteómica es una herramienta con mucho potencial, especialmente en el área de los alimentos
• Estudios en el área de los alimentos son muy necesarios, y optimizar las técnicas para los mismos es una necesidad
• Para que esta tecnología sea una herramienta y no una utopía, necesitamos de equipos multidisciplinarios
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ConclusionesConclusiones
• El Uruguay cuenta con distintas plataformas con el equipamiento necesario para el desarrollo de esta tecnología en el área de los alimentos
• Debemos generar equipos interinstitucionales y multidisciplinarios para aprovechar todo lo que esta herramienta nos puede brindar, y desarrollar su utilización en el área de los alimentos
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Gracias!!Gracias!!
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