Las investigaciones confirman definitivamente que la actividad que mueve los músculos y quema calorías frena el avance de las enfermedades, mejora la función cognitiva, estimula el sistema inmunológico y reduce las tasas de mortalidad por todas las causas.
Los científicos ahora están profundizando aún más en los efectos del ejercicio en humanos y otros mamíferos investigando los impactos del ejercicio a nivel molecular. Su objetivo es descubrir, en las escalas más pequeñas, los impactos del ejercicio y comprender mejor cómo funciona el cuerpo en estados de salud y enfermedad.
Las moléculas son grupos de átomos. Representan la unidad más pequeña de un compuesto químico que puede participar en una reacción química. Estas reacciones químicas se producen en proteínas, carbohidratos, lípidos (grasas) y ácidos nucleicos:los "ómicos" (componentes celulares) que controlan el funcionamiento interno de cada sistema de órganos.
El ejercicio parece cambiar estos caballos de batalla moleculares de maneras que no se comprenden bien. Sin embargo, identificar tales cambios promete beneficios clínicos para todos los seres humanos, independientemente de su edad, sexo, composición corporal o nivel de condición física.
A finales de 2016, para obtener más información sobre los cambios inducidos por el ejercicio a nivel molecular, el Fondo Común de los Institutos Nacionales de Salud comenzó a apoyar una investigación ampliada para mapear los detalles más pequeños de cómo el ejercicio ayuda a mantener tejidos y sistemas de órganos sanos. Eso llevó al establecimiento de un grupo nacional de expertos colaborativos llamado Consorcio de Transductores Moleculares de Actividad Física (MoTrPAC).
Desde el principio, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), bajo la dirección de los bioquímicos Josh Adkins y Wei-Jun Qian, ha estado entre los centros nacionales de experiencia del MoTrPAC en actividad animal y humana, análisis biomoleculares y bioinformática.
Los centros de análisis biomoleculares del consorcio utilizan un enfoque ómico para analizar genes, proteínas u otras biomoléculas a nivel de todo el cuerpo. En última instancia, el objetivo de MoTrPAC es crear un mapa molecular de las respuestas al ejercicio en modelos humanos y animales. Desde el músculo hasta la molécula, un mapa de este tipo ayudaría a revelar cómo el ejercicio afecta la salud.
"La capacidad de ver respuestas moleculares amplias en los órganos del cuerpo es particularmente intrigante", dijo Qian sobre el mapeo molecular. "Este conocimiento podría ser un fuerte factor de motivación para hacer ejercicio."
El papel principal de PNNL en MoTrPAC es investigar los cambios inducidos por el ejercicio en las proteínas y las modificaciones postraduccionales (PTM). Las proteínas están formadas por cadenas de aminoácidos que se pliegan en estructuras tridimensionales y que luego regulan la estructura y función de los tejidos y órganos. Los PTM procesan eventos que alteran las funciones de las proteínas modificando químicamente aminoácidos específicos dentro de una proteína determinada. El estudio de los cambios en todas las proteínas detectables y sus PTM en una muestra se llama proteómica.
"Hemos sido fundamentales en el diseño del estudio del consorcio desde el principio, con énfasis en la proteómica", dijo Adkins. Reconoció a un socio fundamental:Steven Carr y su grupo de proteómica en el Broad Institute, un centro de investigación dirigido por la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
En una visión general de la perspectiva 2020 en la revista Cell , Adkins y el científico biomédico del PNNL, James Sanford, se unieron a otros coautores para describir la "interferencia" molecular, una especie de telégrafo químico provocado por el ejercicio entre una variedad de tejidos. El estudio también destacó la importancia de mapear dichos intercambios moleculares.
La Célula El artículo también presentó la idea de un conjunto de datos público MoTrPAC para ayudar a encontrar los mecanismos ocultos detrás de los beneficios del ejercicio. Ahora está prosperando y creciendo. Uno de los analistas principales del conjunto de datos es el químico del PNNL Paul Piehowski.
Para Adkins, Qian y otros miembros del equipo MoTrPAC de PNNL, la investigación proteómica depende de instrumentos en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía ubicada en el campus de PNNL. Las capacidades de EMSL incluyen una serie de espectrómetros de masas orbittrap de alta gama. Producen análisis que ayudan a identificar y cuantificar proteínas y otras moléculas de una variedad de tipos y muestras de tejido.
El MoTrPAC "tiene un alcance enorme", dijo Adkins. "La escala de operación de PNNL nos permite hacer algo de este tamaño con muy alta calidad y alta reproducibilidad operativa". Calificó el papel del PNNL-EMSL en MoTrPAC como "un tour de force para un estudio proteómico. Pocos se han realizado antes a esta escala".
Investigadores del MoTrPAC de todo el país contribuyeron a un estudio del 2 de mayo de 2024 en la revista Nature. . Este primer artículo importante surgido del consorcio proporciona el primer mapa de respuestas moleculares de todo el organismo al entrenamiento de ejercicios de resistencia.
El organismo modelo del experimento fue la rata. Ratas machos y hembras de la misma especie corrieron en cintas de correr motorizadas durante períodos de 1, 2, 4 y 8 semanas. Como controles, los investigadores utilizaron ratas sedentarias y no entrenadas, emparejadas por sexo con sus contrapartes que hacían ejercicio.
Dentro de las 48 horas de cada intervalo de entrenamiento, los investigadores recolectaron muestras de sangre completa, plasma y 18 tejidos sólidos y las dispersaron en centros ómicos como PNNL para análisis intensivos.
De las numerosas muestras, dijo Adkins, "queremos comprender la integración de los sistemas de órganos". Las respuestas moleculares del cuerpo al entrenamiento de resistencia abarcan todo el sistema, afirman los autores de Nature artículo:una conclusión confirmada mediante la integración de muestras de tejido en una variedad de análisis ómicos.
Otros resultados fueron mejor afinados. El ejercicio mejora la salud del hígado y el metabolismo, por ejemplo. También remodela y fortalece la estructura del corazón, mejora las vías relacionadas con la integridad intestinal (la salud intestinal está relacionada con la inflamación en todo el cuerpo), enriquece las vías inmunes y reduce la inflamación en los pulmones y el intestino delgado. Es importante destacar que, relatan los autores, las diferencias de sexo observadas en las respuestas al entrenamiento resaltan lo importante que es incluir a ambos sexos en la investigación sobre el ejercicio.
Traducir los datos de ratas en conclusiones relevantes para los humanos es un desafío. Sin embargo, las ratas son el modelo animal preferido porque los patrones de señalización del sistema de órganos y músculos esqueléticos de ratas y humanos son similares. También lo son el metabolismo de la glucosa y las respuestas cardíacas inducidos por el ejercicio. Además, las grandes masas de tejido de las ratas proporcionan mejores muestras que las de los ratones para el análisis multiómico.
"Estos datos nos ayudarán a llevar el conocimiento de la rata a la esfera humana", afirmó Adkins.
Para ayudar a cerrar la brecha de datos entre ratas y humanos, el consorcio MoTrPAC tiene en marcha un experimento de respuesta al ejercicio que registra las respuestas moleculares al entrenamiento de resistencia y al entrenamiento de resistencia en una cohorte de 2000 voluntarios humanos adultos.
La reciente Naturaleza El artículo proporciona lo que Adkins llamó "una visión panorámica" de la investigación nacional multicéntrica del MoTrPAC. Al mismo tiempo, otros estudios en curso están adoptando visiones más estrechas y detalladas de los datos del consorcio. Sanford, de PNNL, forma parte de un equipo de investigación que muestra cómo la multiómica ayuda a identificar programas reguladores de genes clave que entran en juego durante el ejercicio.
El equipo de Sanford está analizando miles de alteraciones moleculares observadas. Incluyeron cómo el ejercicio regula la expresión genética relacionada con los cambios mitocondriales, las respuestas al choque térmico, la regulación inmune y otros procesos moleculares.
Sanford también se ha unido a la bioquímica de bioestructura y función de PNNL, Gina Many, y al científico de datos de PNNL, Tyler Sagendorf, en un análisis de los datos de ratas corriendo para investigar el dimorfismo sexual en las respuestas del tejido adiposo blanco.
El adiposo blanco es un sistema de órganos secretores y de almacenamiento vinculado al desarrollo de obesidad, enfermedades cardiovasculares, diabetes tipo 2, cáncer y otras afecciones. Este tipo de grasa también tiene efectos importantes sobre el sistema inmunológico y otros procesos biológicos que mantienen la salud sistémica.
Hasta el momento, el análisis parece demostrar que en las ratas existen diferencias "profundas" en la respuesta del tejido adiposo blanco entre los sexos. Si bien el entrenamiento físico beneficia a las ratas de ambos sexos, sólo los machos responden al ejercicio perdiendo tejido adiposo blanco. En ratas hembras, el ejercicio les impide ganar masa grasa.
Estas investigaciones con un enfoque tan limitado utilizan el conjunto de datos de MoTrPAC para buscar información sobre cómo el ejercicio afecta a los tejidos individuales o a procesos biológicos específicos.
Una investigación del MoTrPAC en curso, por ejemplo, analiza cómo el ejercicio afecta la transcripción genética. Ese es el proceso de copiar información de una hebra de ADN a una molécula llamada ARN mensajero (ARNm), que transmite información genética a las áreas de las células donde se producen las proteínas. Otro ejemplo de investigación en curso trata del impacto del ejercicio en la respuesta mitocondrial. Las mitocondrias, presentes en las células de los mamíferos, regulan la producción de energía y la respuesta al estrés.
Cada estudio más pequeño basado en facetas separadas de los datos del MoTrPAC, dijo Adkins, "es una parte de una visión mayor". Esa visión es la del consorcio:mapear los cambios moleculares del cuerpo después del ejercicio.
Más información: Dinámica temporal de la respuesta multiómica al entrenamiento con ejercicios de resistencia, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06877-w
Información de la revista: Naturaleza , Celda
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
