Los glicanos son esenciales para prácticamente todos los procesos biológicos del cuerpo. Estas estructuras complejas, compuestas por moléculas de azúcar entrelazadas, adornan las superficies de las células con una profusión difusa. Los glicanos son una parte crucial de la identidad de una célula, ayudándolo a comunicarse con otras células y con el entorno externo. También se sabe que los glicanos desempeñan un papel vital en el cáncer, enfermedad autoinmune e innumerables otras aflicciones.

A pesar de su ubicuidad e importancia, los glucanos siguen siendo uno de los agentes biológicos más enigmáticos.

Ahora, investigadores del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona se unen a un grupo de investigación internacional para investigar los misterios más profundos de la estructura y función de los glucanos. Para hacer esto, han reunido una biblioteca de las enzimas necesarias para crear, modificar y degradar los glicanos. Usando esta biblioteca, el grupo pudo expresar estas enzimas en dos tipos de hospedadores celulares:mamíferos e insectos.

"Está claro que estas elaboradas estructuras de azúcar juegan un papel fundamental tanto en la salud como en la enfermedad, "dice Joshua LaBaer, director del Biodesign Institute y Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics.

Continúa diciendo que la ciencia todavía tiene muy poca comprensión de la actividad de los glucanos, porque a diferencia de otros procesos en biología, no se ensamblan en base a una plantilla. En lugar de, son producidos por una interacción compleja de una gran familia de enzimas que agregan y eliminan azúcares específicos dependiendo de dónde se encuentren los diferentes miembros de la familia y otros factores. "Por primera vez, hemos construido y ensamblado copias clonadas de todas las enzimas de esta familia, creando un conjunto de herramientas invaluable que los investigadores podrán utilizar para construir y probar estas estructuras, "Dice Labaer.

Resultados del nuevo estudio, que aparecen en el número actual de la revista Biología química de la naturaleza , tener un impacto potencialmente amplio en áreas que van desde nuevos diagnósticos y terapias para enfermedades, a otros avances en salud, ciencia de materiales y energía.

La vida es dulce

"El estudio de las estructuras de glucanos en sistemas de células animales ha sido históricamente un gran desafío, especialmente en términos de tecnología, "dice Kelley Moremen de la Universidad de Georgia, autor principal del nuevo estudio. "Para comprender cómo se fabrican y regulan estas moléculas en términos de función en la superficie celular, es importante comprender la maquinaria enzimática que los hace, los modifica y los descompone ".

Una de las cuatro clases principales de macromoléculas que componen los sistemas vivos, (junto con los ácidos nucleicos, proteínas y lípidos), Los glicanos son esenciales para la estructura y función celular. Desempeñan un papel fundamental en la señalización celular, inmunidad, e inflamación.

Por ejemplo, Los glucanos en las superficies celulares son fundamentales para el reconocimiento molecular. guiar los glóbulos blancos a través del cuerpo hasta los sitios de infección, permitiendo que el sistema inmunológico responda donde sea necesario. Esta dinámica se ve claramente durante las primeras etapas de la infección por influenza, donde la partícula del virus de la influenza se adhiere a una célula huésped humana reconociendo y uniéndose con glucanos de la superficie celular.

El sistema inmunológico responde a tales amenazas aprendiendo a reconocer la capa de azúcar de glucano de los virus, bacterias y otros invasores, montando mecanismos de defensa tanto innatos como adaptativos.

Varias formas de azúcar son esenciales para la vida. Glucosa, uno de los mas importantes, es un metabolito primario que proporciona energía al cerebro. También ejemplifica la naturaleza de dos filos de los azúcares complejos, ya que su desregulación es un factor de riesgo central para el desarrollo de enfermedades cardiovasculares. Diabetes, por ejemplo, resulta del control inadecuado de la glucosa por mecanismos metabólicos normales. Las altas concentraciones de glucosa pueden causar graves daños a los órganos, mientras que las concentraciones bajas pueden provocar la pérdida del conocimiento y la muerte súbita por falta de energía.

En otra parte, Las paredes de las células vegetales están compuestas principalmente de glucanos y representan la fuente dominante de secuestro biológico de carbono del planeta. o biomasa. Representan una fuente sostenible en gran parte sin explotar de energía no basada en combustibles fósiles.

Sin embargo, hasta ahora los glucanos no han disfrutado del mismo nivel de atención científica que los ácidos nucleicos o las proteínas, y gran parte de su sutil rango de funciones permanece envuelto en un misterio. La razón es que la vertiginosa variedad de estructuras de glicanos tiene, hasta hace poco, ha sido notoriamente difícil de estudiar.

Genes a proteínas

Gran parte de la maquinaria de la vida se comprende bien, al menos en líneas generales. Diferentes disposiciones de los 4 ácidos nucleicos en el ADN forman genes que primero se transcriben en ARN, luego se traduce en proteínas, según un régimen estricto.

Los glicanos son diferentes. No se producen a partir de plantillas como ARN y proteínas, pero en vez, se ensamblan sobre la marcha según sea necesario de acuerdo con factores complejos del entorno, incluido el metabolismo celular, tipo de célula, etapa de desarrollo, disponibilidad de nutrientes y muchas otras señales. Células especializadas como nervios, Las células de la piel o del músculo tienen su propio complemento único de glucanos y las células enfermas suelen mostrar anomalías características en los glucanos que las adornan. Para producir esta riqueza de diversidad de glicanos, se pone en servicio una gran cantidad de enzimas especializadas.

Los glicanos generalmente se adhieren a ubicaciones específicas en proteínas, modulando su actividad biológica a través del reconocimiento molecular o afectando su tiempo de circulación en el torrente sanguíneo. La glicosilación, la adición de moléculas de glucano, es uno de los mecanismos reguladores más importantes que afectan a las proteínas después de que ya se han traducido del ARN. Tales modificaciones postraduccionales permiten un número bastante modesto de genes humanos:solo 25, 000 aproximadamente, para generar la asombrosa complejidad y diversidad observada en los seres humanos y en todas las poblaciones humanas.

Esta nueva visión de las proteínas como entidades altamente dinámicas ha revolucionado la biología moderna, aunque ha profundizado significativamente las complejidades que enfrentan los investigadores. El ordenado modelo de 1 gen que genera 1 secuencia de ARN que produce una sola proteína de estructura y función conocidas ha dado paso a un mundo de modificación de proteínas sutil y dinámica, teniendo profundas implicaciones para la salud y las enfermedades humanas. El estudio de gycans de forma aberrante, por ejemplo, es ahora una importante vía nueva de investigación del cáncer.

Diseñando con azúcar

Pero, ¿cómo se fabrican los glucanos? El proceso comienza cuando se consumen azúcares simples en los alimentos, conocidos como monosacáridos. Estos monosacáridos viajan a dos compartimentos subcelulares clave conocidos como el complejo de Golgi y el retículo endoplásmico. Estos orgánulos unidos a membranas actúan como fábricas para el ensamblaje gradual de bloques de construcción de monosacáridos en complejos, estructuras ramificadas de glicanos.

Luego, los glicanos se unen a proteínas o lípidos y se envían a la membrana plasmática, recubrir las superficies celulares con estas moléculas de azúcar. Se ha estimado que el 70 por ciento de las proteínas de la superficie celular están glicosiladas y los investigadores todavía están tratando de establecer la función de todas estas glicosilaciones.

Las aplicaciones de dicha investigación pueden incluir técnicas basadas en glucanos para la detección temprana del cáncer y otras enfermedades, y el desarrollo de futuras vacunas y productos farmacéuticos contra enfermedades infecciosas basadas en una mejor comprensión de las interacciones huésped-patógeno y la respuesta inmune. La creación de nuevos productos o combustibles compuestos de materias primas de carbohidratos también puede surgir de los avances en glicobiología.

Acceso a la biblioteca

En el estudio actual, Los investigadores produjeron con éxito la gama completa de enzimas formadoras y modificadoras de glucanos responsables de producir más de 7000 estructuras de glucanos de vertebrados. Para lograr esto, el estudio intentó simplificar el proceso, produciendo versiones de enzimas reducidas capaces de expresarse eficazmente en las células huésped.

"Con la ayuda de Jason (Steele) y Josh (LaBaer), Creamos una estrategia de diseño para capturar estas regiones de codificación y ponerlas en un vector de retención, "Moremen dice". Entonces, pudimos colocarlos en células de insectos o mamíferos y probar su capacidad para expresarse en esos sistemas ".

Este es un avance importante. Los esfuerzos anteriores para producir y expresar glucoenzimas en células bacterianas más simples como E. coli habían encallado en gran medida. Para gestionar la hazaña en células eucariotas más complejas, como los de insectos y mamíferos, Se requirió una modificación considerable de los genes que codifican las enzimas antes de su inserción en vectores especializados conocidos como casetes. Estos casetes que codifican glicoenzimas se insertaron luego en células de insectos y mamíferos, donde fueron expresados.

El grupo produjo una lista completa de 339 glucoenzimas responsables de la formación, modificación y degradación de glicanos, dirigiéndose a estos para la expresión de proteínas. Si bien los resultados fueron exitosos, expresión de alto nivel de glucoenzimas en células de insectos y mamíferos, los autores notan diferencias claras en los niveles de expresión específicos en cada uno de los dos sistemas modelo.

The resulting comprehensive library of glycoenzymes provides a vital resource for future advances in glycobiology and is available to researchers worldwide through DNASU.

An enhanced appreciation of glycan structure and function, explored with the aid of the new enzyme library, will help to advance a number of exciting domains of research, including genomics, proteomics, chemical synthesis, ciencia de los Materiales, e ingeniería.