Las bacterias intestinales pueden alterar las proteínas cerebrales: el nuevo método de glicosilación descubre el enlace

Nuestras tripas albergan billones de bacterias, y la investigación en las últimas décadas ha establecido cuán esenciales son para nuestra fisiología: en salud y enfermedad. Un nuevo estudio de los investigadores de EMBL Heidelberg muestra que las bacterias intestinales pueden provocar cambios moleculares profundos en uno de nuestros órganos más críticos: el cerebro.

El nuevo estudio, publicado en el diario Naturaleza Biología estructural y molecular, es el primero en mostrar que las bacterias que viven en el intestino pueden influir en cómo las proteínas en el cerebro son modificadas por carbohidratos, un proceso llamado glicosilación. El estudio fue posible por un nuevo método que los científicos desarrollaron, DQGlyco, que les permite estudiar la glucosilación a una escala y resolución mucho más altas que los estudios anteriores.

Una nueva forma de medir la glicosilación

Las proteínas son los caballos de batalla de nuestras células y sus principales bloques de construcción. Los azúcares, o carbohidratos, por otro lado, se encuentran entre las principales fuentes de energía del cuerpo. Sin embargo, la célula también usa azúcares para modificar químicamente proteínas, alterando sus funciones. Esto se llama glucosilación.

«La glucosilación puede afectar la forma en que las células se unen entre sí (adhesión), cómo se mueven (motilidad) e incluso cómo hablan entre sí (comunicación)», explicó Clément Potel, primer autor del estudio y el científico del equipo de Savitski. «Está involucrado en la patogénesis de varias enfermedades, incluidos el cáncer y los trastornos neuronales».

Sin embargo, la glucosilación ha sido tradicionalmente notoriamente difícil de estudiar. Solo una pequeña porción de proteínas en la célula se glucosilan y se concentra suficiente de ellas en una muestra para estudiar (un proceso llamado ‘enriquecimiento’) tiende a ser laborioso, costoso y lento.

«Hasta ahora, no es posible hacer tales estudios a escala sistemática, de manera cuantitativa y con alta reproducibilidad», dijo Mikhail Savitski, líder del equipo, científico principal y jefe de la instalación central de proteómica en Embl Heidelberg. «Estos son los desafíos que logramos superar con el nuevo método».

DQGLYCO utiliza materiales de laboratorio fácilmente disponibles y de bajo costo, como cuentas de sílice funcionalizadas, para enriquecer selectivamente proteínas glucosiladas de muestras biológicas, que luego pueden identificarse y medirse con precisión. Aplicando el método a muestras de tejido cerebral de ratones, los investigadores podrían identificar más de 150,000 formas glicosiladas de proteínas (‘proteoformas’), un aumento de más de 25 veces en comparación con estudios anteriores.

La naturaleza cuantitativa del nuevo método significa que los investigadores pueden comparar y medir las diferencias entre muestras de diferentes tejidos, líneas celulares, especies, etc., esto también les permite estudiar el patrón de ‘microheterogeneidad’: el fenómeno donde la misma parte de una proteína puede ser modificado por muchos (a veces cientos de) grupos de azúcar diferentes.

Uno de los ejemplos más comunes de microheterogeneidad son los grupos sanguíneos humanos, donde la presencia de diferentes grupos de azúcar en proteínas en glóbulos rojos determina el tipo de sangre (A, B, O y AB). Esto juega un papel importante en la decisión del éxito de las transfusiones de sangre de un individuo a otro.

El nuevo método permitió al equipo identificar dicha microheterogeneidad en cientos de sitios de proteínas. «Creo que la prevalencia generalizada de la microheterogeneidad es algo que la gente siempre había asumido, pero eso nunca se había demostrado claramente, ya que debe tener suficiente cobertura de proteínas glucosiladas para poder hacer la declaración», dijo Mira Burtscher, otra primera autora del Estudio y un equipo de Savitski Ph.D. alumno.

Desde el intestino hasta el cerebro

Dada la precisión y el poder del método, los investigadores decidieron usarlo para abordar una pregunta biológica sobresaliente. En colaboración con el grupo de Michael Zimmermann en EMBL, luego probaron si el microbioma intestinal tuvo algún efecto sobre las firmas de glicosilación que habían observado en el cerebro. Tanto Zimmermann como Savitski son parte del tema transversal de los ecosistemas microbianos en EMBL, que fue introducido por el programa EMBL 2022–26 «Moléculas a los ecosistemas».

«Se sabe que los microbiomas intestinales pueden afectar las funciones neuronales, pero los detalles moleculares son en gran medida desconocidos», dijo Potel. «La glucosilación está implicada en muchos procesos, como la neurotransmisión y la guía del axón, por lo que queríamos probar si este era un mecanismo por el cual las bacterias intestinales influyeron en las vías moleculares en el cerebro».

Curiosamente, el equipo descubrió que, en comparación con los «ratones libres de gérmenes», es decir, los ratones cultivados en un ambiente estéril de tal manera que carecen por completo de microbios dentro y en su cuerpo, los ratones colonizados con diferentes bacterias intestinales tenían diferentes patrones de glucosilación en el cerebro. Los patrones cambiados fueron particularmente evidentes en proteínas que se sabe que son importantes en las funciones neuronales, como el procesamiento cognitivo y el crecimiento del axón.

Los conjuntos de datos del estudio están disponibles abiertamente a través de una nueva aplicación dedicada para otros investigadores. Además, el equipo también es curioso si los datos pueden usarse para informar predicciones sobre los sitios de glucosilación, especialmente en diferentes especies. Para esto, han estado utilizando enfoques de aprendizaje automático como Alfafold, la herramienta basada en IA para predecir estructuras de proteínas reconocidas con el Premio Nobel de Química 2024.

«Al entrenar los modelos en los datos del ratón, podemos comenzar a predecir cuál podría ser la variabilidad de los sitios de glicosilación en humanos, por ejemplo», dijo Martin Garrido, un postdoc de los grupos Savitski y Saez-Rodríguez en EMBL y otro autor del primer autor del estudiar. «Podría ser muy útil para las personas que estudian otros organismos para ayudarlos a identificar sitios de glucosilación en sus proteínas de interés».

Los investigadores también están trabajando para aplicar el nuevo método para responder preguntas biológicas más fundamentales y para comprender el papel funcional que juega la glucosilación en las células.