La metabolomica è lo studio sistematico delle uniche impronte chimiche lasciate da specifici processi cellulari - nello specifico, lo studio dei loro profili metabolici a molecole piccole.
Il metaboloma rappresenta l'insieme di tutti i metaboliti di un organismo biologico, che sono i prodotti finali della sua espressione genica. E così, mentre i dati dell'espressione genica dell'mRNA e delle analisi proteomiche non spiegano esaurientemente ciò che potrebbe succedere in una cellula, il profilo metabolico può fornire un'istantanea della fisiologia di quella cellula. Una delle sfide della biologia sistemica è di integrare la proteomica, la trascrittomica e le informazioni metabolomiche per avere una visione d'insieme più completa degli organismi viventi.
Anche la parola metabonomica è di uso corrente, in particolare nel contesto di valutazione della tossicità farmacologica. Ci sono alcune discussioni sulle differenze tra 'metabonomica' e 'metabolomica'; in generale viene usato più comunemente il termine 'metabolomica'. La differenza tra i due termini non è collegata alla scelta di una piattaforma analitica: sebbene la metabonomica sia più associata alla spettroscopia dell'NMR e la metabolomica con le tecniche a base spettrometrica, è semplicemente per via degli usi tra gruppi diversi che questi termini sono diventati di uso comune. Mentre non c'è ancora nessun accordo, è sempre più in crescita il consenso che sostiene che le differenze risiedano nel fatto che 'metabolomica' metta maggiore enfasi sul profilo metabolico comprensivo, mentre 'metabonomica' viene usato per descrivere modifiche metaboliche causate da una perturbazione biologica. In pratica c'è ancora un ampio grado di sovrapposizione nell'utilizzo dei termini e spesso sono usati come sinonimi.
La metabolomica computazionale è una specializzazione interdisciplinare e una branca della bioinformatica che usa tecniche computazionali miste a tecniche di docking molecolare per individuare biomarcatori metabolici e predire le interazioni molecolari. Le tipiche tecniche di docking usate sono la risonanza magnetica nucleare e la spettrometria di massa e servono a simulare le interazioni tra ligandi e recettori. Lo scopo finale sia della metabolomica che della metabolomica computazionale è di ricercare nuovi farmaci contro virus e batteri, capire meglio la farmacocinetica e la tossicità dei farmaci (xenobiotici de facto) in tossicologia, effettuare scoperte sulle reti biologiche complesse e fare avanzamenti nel campo della medicina personalizzata e dell'oncologia (e dunque nelle terapie anticancro).
Storia
La metabolomica è stata ideata nel 1970 da Arthur B. Robinson mentre lavorava come assistente del dipartimento di chimica all'Università della California di San Diego. Robinson stava facendo ricerche su un'idea di Linus Pauling che si domandava se la variabilità biologica potesse essere spiegata sulla base di differenze molto più ampie di requisiti nutrizionali di quanto fosse generalmente riconosciuto. Analizzando i modelli cromatografici "confusi" di urina di soggetti a cui era stata somministrata la Vitamina B6, Robinson si rese conto che centinaia o migliaia di costituenti chimici nell'urina contenevano informazioni molto utili.
Sebbene non fosse chiamata metabolomica, il primo elaborato su questo tema era intitolato “Quantitative Analysis of Urine Vapor and Breath by Gas-Liquid Partition Chromatography”, di Robinson e Pauling nel 1971 e pubblicato nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences. Da allora Robinson ha fatto pubblicare altri diciannove elaborati sui modelli quantitativi sugli umori corporei (vedi sotto). Robinson e i suoi colleghi hanno identificato diverse malattie, condizioni ed età fisiologica basate su questi dati. Si aspettava che l'analisi dei fluidi corporei potesse essere ottimizzata per farne uno strumento di misurazione a basso costo, importante dal punto di vista medico e ricco di informazioni per misurare modifiche guidate dal metabolismo nello stato funzionale, anche quando i costituenti chimici sono tutti nell'“intervallo normale”.
L'idea centrale concepita da Robinson era che i dati ricchi di informazioni che riflettono lo stato funzionale di un sistema biologico complesso risiede nel modello quantitativo e qualitativo dei metaboliti nei fluidi corporei. Venti anni dopo altri iniziarono a capire il valore di questo approccio e l'interesse in materia venne sollevato. La stessa metabolomica venne coniata negli anni '90 (il primo elaborato che usa la parola metaboloma è di Oliver, S.G., Winson, M. K., Kell, D. B. & Baganz, F. (1998). Molti dei metodi bioanalitici usati per la metabolomica sono stati adattati (o in alcuni casi semplicemente adottati) dalle tecniche biochimiche esistenti. Due caratteristiche che accomunano la ricerca metabolomica sono:
I metaboliti sono descritti senza pregiudizi nei confronti di uno specifico metabolita o gruppo di metaboliti
Le relazioni tra i metaboliti sono caratterizzate al momento principalmente da metodi a variante multipla.
Tecniche separative: metodi di separazione
Ci sono due tematiche che si rivolgono all'analisi metabolitica: 1. separazione degli analiti, di solito tramite cromatografia. Anche l'elettroforesi viene utilizzata, in particolare quella capillare. 2. Rilevazione degli analiti, in seguito a separazione tramite cromatografia o altri metodi.
La Gascromatografia (GC), in modo particolare se accoppiata alla spettrometria di massa (GC-MS), è una delle tecniche più in uso e più potenti. Offre una risoluzione cromatografica molto alta ma richiede una derivatizzazione chimica per molte molecole biologiche: solo elementi chimici volatili possono essere analizzate senza derivatizzazione. (Alcuni strumenti moderni consentono una cromatografia bidimensionale, permettendo la possibilità di utilizzare una colonna polare corta con la colonna analitica principale, che aumenta ulteriormente la risoluzione.) Alcuni metaboliti grandi e polari non possono essere analizzati dalla GC.
Cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC). Rispetto alla GC, la HPLC ha una risoluzione cromatografica minore ma ha come vantaggio una gamma molto più ampia di analiti che possono essere potenzialmente misurati.
Elettroforesi capillare (CE). Finora è presente solo un numero relativamente basso di pubblicazioni sull'uso di CE per la stesura di profili metabolitici. Questo cambierà senza alcun dubbio, poiché vi sono molti vantaggi grazie alla CE: ha un'efficienza di separazione teoretica più alta rispetto alla HPLC, ed è adatta all'uso con una gamma più ampia di classi metabolitici della GC. Per quanto riguarda tutte le tecniche elettroforetiche, è la più appropriata per le analiti carichi.
Applicazioni
La metabolomica trova applicazione in diversi ambiti della ricerca biomedica, in particolare nello studio delle malattie complesse e dei meccanismi fisiopatologici associati. L’analisi dei profili metabolici consente di identificare alterazioni sistemiche legate a stati patologici, supportando attività di caratterizzazione fenotipica, classificazione dei soggetti e valutazione della risposta a interventi terapeutici o sperimentali. In un contesto di biologia dei sistemi, la metabolomica contribuisce inoltre all’integrazione di informazioni molecolari, cliniche e ambientali, offrendo una rappresentazione funzionale dello stato biologico di un organismo. Nonostante il crescente interesse applicativo, l’adozione di tali approcci richiede rigorosi processi di validazione, standardizzazione analitica e interpretazione biologica dei dati.
↑Wishart DS. Metabolomics and the systems biology of human disease. Nat Rev Genet. 2008;9(10):747–756.
↑Scalbert A, Brennan L, Fiehn O, et al. Mass-spectrometry-based metabolomics: limitations and recommendations for future progress. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009;10(6):1–13.
Bibliografia
Segue un elenco delle prime pubblicazioni sulla metabolomica:
Pauling, L.C., Robinson, A.B., Teranishi, R., and Cary, P., Quantitative Analysis of Urine Vapor and Breath by Gas-Liquid Partition Chromatography, Proc. Natl. Acad. Sci. (1971) 68, 2374-2376.
Teranishi, R. and Mon, T.R. and Robinson, A.B., Cary, P., and Pauling, L.C., Gas Chromatography of Volatiles from Breath and Urine, Analytical Chemistry 44 (1972) pp 18–20.
Robinson, A.B. and Pauling, L.C., Quantitative Chromatographic Analysis in Orthomolecular Medicine, Orthomolecular Psychiatry, 1973, ed. D. Hawkins, pp 35–53.
Robinson, A.B., Partridge, D., Turner, M., Teranishi, R., and Pauling, L.C., An Apparatus for the Quantitative Analysis of Volatile Compounds in Urine, J. Chromatography (1973) 85, pp 19–29.
Matsumoto, K.E., Partridge, D.H., Robinson, A.B., and Pauling, L.C. and Flath, R. A., Mon, T.R., and Teranishi, R., The Identification of Volatile Compounds in Human Urine, J. Chromatography 85 (1973) pp 31–34.
Pauling, L.C. and Robinson, A.B., Techniques of Orthomolecular Medicine, First Conference on the Analysis of Multicomponent Mixtures and their Application to Health-Related Problems (1973) 1, pp 1–7.
Robinson, A.B., Cary, P., Dore, B., Keaveny, I., Brenneman, L., Turner, M. and Pauling, L., Orthomolecular Diagnosis of Mental Retardation and Diurnal Variation in Normal Subjects by Low-Resolution Gas-Liquid Chromatography of Urine, Int. Research Comm. Sys. (1973) 70, p 3.
Robinson, A.B. and Westall, F.C., The Use of Urinary Amine Measurement for Orthomolecular Diagnosis of Multiple Sclerosis, J. Orth. Psych. (1974) 3, pp 1–10.
Robinson, A.B., Westall, F.C., and Ellison, G.W., Multiple Sclerosis: Urinary Amine Measurement for Orthomolecular Diagnosis, Life Sciences (1974) 14 pp 1747–1753.
Robinson, A.B. and Pauling, L.C., Techniques of Orthomolecular Diagnosis, Clinical Chemistry (1974) 20 pp 961–965.
Robinson, A.B., Orthomolecular Medicine – Diagnosis and Therapy, Proc. 8th Annual Conference National Society For Autistic Children (1974) pp 1–8.
Robinson, A.B., Looking for Optimum Health: A Guided Tour Through the Linus Pauling Institute (1975) Prevention, pp 89–96.
Robinson, A.B., Weiss, M., Reynolds, W.E., and Robinson, L.R., Use of Mass Spectrometry for Orthomolecular Diagnosis (1975) Proceedings Twenty-Third Annual Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, pp 182–184.
Rosenberg, R.N., Robinson, A.B., and Partridge, D., Urine Vapor Pattern for Olivopontocerebellar Degeneration (1975) Clinical Biochemistry 8, pp 365–368.
Dirren, H., Robinson, A.B., and Pauling, L.C., Sex-Related Patterns in the profiles of Human Urinary Amino Acids, Clinical Chemistry (1975) 21, pp 1970–1975.
Robinson, A.B., Willioughby, R., and Robinson, L.R., Age Dependent Amines, Amides, and Amino Acid Residues in Drosophila Melanogaster, Experimental Gerontology (1976) 11, pp 113–120.
Robinson, A.B., Dirren, H., and Sheets, A. and Miquel, J. and Lundgren, P.R., Quantitative Aging Pattern in Mouse Urine Vapor as Measured by Gas-Liquid Chromatography, Experimental Gerontology (1976) 11, pp 11–16.
Robinson, A.B., Pauling, L.C., and Aberth, W., A Controversy: Diagnosis of Infectious Hepatitis (1977) Clinical Chemistry 23, pp 908–910.
Robinson, A.B., Molecular Clocks, Molecular Profiles, and Optimum Diets: Three Approaches to the Problem of Aging (1979) Mechanisms of Ageing and Development 9, pp 225–236.
Robinson, A.B. and Robinson, L.R., Quantitative Measurement of Human Physiological Age by Profiling of Body Fluids and Pattern Recognition (1991) Mechanisms of Ageing and Development 59, pp 47–67.
