Cuando se habla de las principales macromoléculas que estructuran y regulan la función celular, se diferencian tres tipos: las proteínas, las grasas y los hidratos de carbono o glúcidos (azúcares simples y azúcares complejos). Hasta ahora se ha estimado que las más importantes son las proteínas, apareciendo las otras dos como secundarias. Tal vez esto se deba a la fanfarria surgida acerca de los "genomas" que se han ido descifrando en las más diversas especies. Según ello, pareciera que el proceso vital sólo requeriría de DNA y las respectivas proteínas. Sin embargo las células son más que genes para proteínas.

De estas tres macromoléculas, las que menos han sido consideradas son los glúcidos, ya que para muchos pareciera que no tienen otra función que servir de reserva como fuente de energía (glucosa y glicógeno) o para formar material estructural que dé firmeza, como es el caso de la celulosa en los vegetales. Las otras funciones que se han venido describiendo, pareciera que fueran sólo ornamentales, como por ejemplo, instalarse en la superficie de las células o adornar las proteínas. Sin embargo, a medida que se han ido conociendo sus verdaderos roles, se ha ido también comprobando que son bastante más complejas y que van más allá de ser el adorno del pastel.

Muy por el contrario, los azúcares están comprometidos casi en todos los aspectos de la biología celular, desde el reconocimiento de patógenos a la coagulación sanguínea, como la capacitación de los espermios para que puedan penetrar el óvulo y muchas más. La lista de sus responsabilidades incluye la regulación de la vida media de las hormonas, el curso del desarrollo embriológico y su actuación como "código de dirección" para dirigir el tráfico de células y proteínas a través del organismo o la comunicación de célula a célula o el funcionamiento del sistema inmunológico. Los investigadores están constantemente descubriendo nuevos roles de los azúcares, y en la medida que lo hacen, han ido cambiando la conceptualización de su importancia en los complejos procesos de la vida. "Esto es lo que se irá aclarando en el futuro", declara el bioquímico Gerald Hart de la Universidad John Hopkins en Baltimore. "No vamos a entender la inmunología, la neurología, el desarrollo biológico o las enfermedades hasta cuando no nos familiaricemos con los conceptos de la "glicobiología".

Es tanto lo importante que se está considerando a los azúcares, que ahora las condecoran con el título de "oma". Es así como para referirse a los genes se habla de "genoma", o el conocimiento de las proteínas, "proteoma". Ahora para el conocimiento de los azúcares se habla de "glicoma". Aun cuando recién se comienza a entender en profundidad sus roles, ya se está revelando la enorme importancia de ellos. "Esto es en realidad una de las grandes fronteras de la bioquímica", dice Hart. "Por ahora estamos donde estaba el DNA en el año 1959".

Pero el avanzar en estos nuevos conocimientos no va a ser fácil. "Si uno se pregunta qué es el glicoma en una simple célula, tiene que concluir que es miles de veces más complejo que el genoma", dice Ajit Varki, director del Glycobiology Research and Training Center en la Universidad de California, San Diego. "Su manejo va a llegar a ser un negocio difícil".


La estructura de los azúcares

Considerando la complejidad y sutileza de los azúcares, nos damos cuenta de la dificultad que ello significa. Para comenzar, las bases de la construcción del glicoma son mucho más numerosas y variadas que las cuatro letras del alfabeto del DNA, o la unión de los 20 aminoácidos que forman una proteína.

Las moléculas de azúcar complejas que ayudan a mantener unidos los elementos vivos, están construidas por unidades de "azúcares simples" o "monosacáridos", tales como la glucosa o la sucrosa (azúcares de mesa), además de "disacáridos", que están formados por dos anillos de monosacáridos. Pero su arquitectura es más compleja, ya que los monosacáridos se unen entre sí en diferentes formas, variando los ángulos de las distintas unidades en diversas direcciones, o modificando el sitio de la unión de las diferentes unidades, que a veces quedan para arriba y a veces para abajo.

Pero el problema es aun más enredado, ya que monosacáridos y disacáridos se unen entre sí para formar polisacáridos, cadenas de azúcares que a su vez forman estructuras gigantes de complejos de azúcares. Estas moléculas masivas que pueden contener más de 200 unidades, no sólo vienen como largas cadenas, sino también formando una intrincada estructura de ramas colaterales que decoran las superficies de las células, formando un bosque de filigranas de azúcar (figura 1). Es la forma tridimensional de estos azúcares la que constituye la llave de la función que desempeñan en el reconocimiento celular. Pero aun hay más complicaciones: diferentes átomos, o grupos de átomos, pueden también estar unidos a las moléculas básicas de monosacáridos, cambiándoles sutilmente sus propiedades biológicas.

Todo esto es lo que le produce dolores de cabeza a los científicos que tratan de entender las estructuras y funciones de los azúcares complejos. Para las matemáticas, aun un simple azúcar de seis unidades llamada "glicosaminoglicano" tiene una asombrosa posibilidad de 12 mil millones de diferentes versiones. Aún los investigadores no tienen una idea de cuántas de estas versiones explota naturalmente la naturaleza, dice Ram Sasisekharan, un bioingeniero que conduce el equipo multidisciplinario en el Massachussets Institute of Technology. "Estamos recién comenzando a rasguñar la superficie para llegar a figurarnos cuántos azúcares son relevantes biológicamente", anota Sasisekharan.

La inherente complejidad del azúcar es una de las razones de por qué el glicoma ha languidecido por tanto tiempo. Pero otro factor clave ha sido el dogma establecido. Por décadas los investigadores saben que los azúcares se unen a proteínas (glicoproteinas) y lípidos (lipoproteinas), especialmente en la superficie celular y en la matriz gelatinosa entre las células. Pero nadie pensó que estos azúcares tenían funciones específicas. Raymond Dwek, director del Instituto de Glicobiología de la Universidad de Oxford, que acuñó el término "glicobiología" en el año 1988, dice que "estos azúcares no se consideraron como importantes (se los consideraba como una simple decoración de proteínas) simplemente porque no sabia como analizarlas". "No pudieron estar más equivocados". Los últimos avances en genética y biología, han puesto en evidencia la importancia de estos azúcares.


La glicosilación

Aun cuando directamente los genes no codifican los azúcares en la forma que codifican las proteínas, en realidad sí codifican las enzimas (proteínas) que el organismo necesita para construir los azúcares. El estudio de estas enzimas es lo que ahora ha abierto los ojos de los biólogos interesados en conocer los roles que estos azúcares juegan en la naturaleza.

Un avance trascendental vino en los finales de la década de los 80, cuando los investigadores aislaron el primer gene para una enzima, la "glicosil transferasa", cuya función es agregar azúcar a moléculas de grasas y proteínas. El descubrimiento permitió a los científicos la primera oportunidad de estudiar este proceso (que se llama "glicosilación"), mediante la manipulación de la actividad de estas enzimas. En 1994, un equipo de investigadores dirigido por Jamey Marth de la Universidad de California en San Diego, encontró que en ratas recién nacidas a las que se les había inactivado una enzima de glicosilación presentaban malformaciones cardiacas y fallecían a poco de nacer. También el mismo equipo de investigadores encontró que una mutación de otra enzima de glicosilación producía en ratas una enfermedad autoinmune que se parecía al "lupus" de los humanos, lo que hace que el organismo ataque a muchos de sus propios tejidos.

Y no sólo en las ratas. A personas que les falta un azúcar clave en la proteína "transferrína", que transporta el hierro dentro de las células, desarrollan una serie de problemas, incluyendo retraso mental y físico, problemas hepáticos y piel anormal. "Estos hallazgos hicieron pensar que tal vez muchas enfermedades estarían relacionadas a problemas en el proceso de agregado de cadenas de azúcares a proteínas", explica Hudson Freeze, un investigador del Instituto Burnham en La Jolla, California. Es así como desde mediados de 1990 ya se han identificado 13 enfermedades genéticas diferentes, clasificándolas como debidas a "desórdenes congénitos de la glicosilación". Freeze está seguro que en el futuro serán descubiertas muchas más.

Incluso, se ha ido viendo que muchas enfermedades comunes están ligadas a alteraciones en las uniones de azúcar. Primero fue el grupo de Dwek que a mediados de 1980 descubrió que las personas con artritis reumatoidea presentaban una anormalidad de una enzima que agregaba el azúcar galactosa a un anticuerpo. En la actualidad no pasa un mes sin que investigadores encuentren nuevas conexiones entre enfermedades y la biología del azúcar. Así por ejemplo, en Julio un grupo de la Universidad de Iowa, reportó que la falta de azúcares de la superficie de una célula era la culpable de algunas formas de distrofia muscular. Simultáneamente un equipo de la Universidad Umea en Suecia identificó un receptor de azúcar que permitía que la bacteria "Helicobacter pylori" infectara la mucosa estomacal, causando úlceras y cáncer.

Estudios de la secuencia del genoma humano respaldan la idea que el azúcar juega un papel clave en él. El 1% de nuestros genes codifica enzimas que contribuyen a la glicosilación. "Ahora, después del proyecto del genoma humano, vemos que existen muchas más de estas enzimas que las que habíamos imaginado", dice Marth. "No pensemos que ya hemos identificado todos los miembros de esta familia". Hasta ahora se han identificado muchos cientos de genes para glicosilación y por lo menos 50 de estos genes mutados ya se han utilizado en experimentos en ratas.

Todo esto ha producido un profundo cambio de enfoque de los científicos, con relación a los azúcares, su importancia y su rol en el contexto de los procesos biológicos. "Ahora la gente comienza a darse cuenta que no podemos ignorarlos", dice Dwek. Este nuevo punto de vista ha convencido recientemente al National Institute of Health de los Estados Unidos, hasta tal punto que ha asignado la suma de 34 millones de dólares al Consortium for Functional Glycomic, un grupo multidisciplinario internacional, constituido por 54 científicos de distintas partes del mundo, para que se dedique a investigar más en la relación de la biología del azúcar y su rol en la célula viva.

Este creciente interés ha sido posible gracias a los últimos avances tecnológicos que han permitido estudiar los distintos tipos y funciones de los azúcares. Así por ejemplo, los avances en la espectrografía de masas han permitido detectar e identificar pequeñas cantidades de azúcares en el organismo. Este año Sasisekharan y su equipo del MIT anunciaron que ellos habían coordinado la espectrometría de masas con un sistema de análisis computacional muy sofisticado que les ha permitido identificar un azúcar relacionado con la heparina, una droga anticoagulación que aparece como un regulador importante del crecimiento celular (fig. 2). Cuando ensayaron esto en ratas encontraron que una versión del azúcar retardaba el crecimiento tumoral y detenía la expansión del cáncer. El azúcar se está usando ahora como una potencial droga en el tratamiento del cáncer. (New Scientist, Junio 26, 2002, Pág. 11).

También son interesantes las nuevas técnicas químicas que se han implementado para sintetizar moléculas de azúcar, en las que los científicos desean investigar su acción biológica. Hasta ahora la única fuente de estos azúcares habían sido las plantas o los tejidos de animales, de donde extraerlas era una tarea difícil. Este año, otro equipo del MIT, dirigido por el químico Meter Seeberger, construyó un sintetizador automático que puede fabricar cadenas y ramas de moléculas de azúcar de más de 12 unidades, cien veces más rápido de lo que era posible hasta ahora.

Con ello ya están experimentando, buscando un nuevo tipo de vacuna contra el parásito de la malaria. La idea es encontrar una sustancia que induzca al organismo a neutralizar la toxina del parásito, antes que ella destruya los glóbulos rojos. Con este objeto, Seeberger y su equipo, han usado su sintetizador para crear un azúcar casi idéntica a una que se encuentra adherida a la toxina del parásito "P. faiciparum", con la esperanza que ella gatille la requerida respuesta inmunológica. "Es una vacuna antitoxina, lo que constituye una nueva aproximación" dice Seeberger. "Si funciona, lograremos impedir que el parásito continúe eludiendo al sistema inmune".

Se logró disponer del azúcar en sólo dos semanas, comparado con los 10 meses de los métodos convencionales. Luego inyectaron en las ratas. Los resultados demostraron que el 75% de las ratas inmunizadas sobrevivían al efecto mortal de la toxina del parásito, comparado con el 9% de las ratas no inmunizadas. El proyecto se está continuando ahora en Australia, donde Louis Schofield y sus colaboradores del Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research en Melbourne están ensayando la vacuna en monos. Mientras tanto Seeberger y su equipo están modificando la estructura del azúcar con la esperanza de hacer más efectiva la vacuna.

Cuando se pretende desarrollar drogas basadas en azúcares, el lograr la secuencia de azúcares individuales y construir la estructura, es sólo la mitad de la tarea. El azúcar en el organismo generalmente está formando parte de mezclas. Por ejemplo una proteína puede tener adheridas a ella, 10 azúcares ligeramente diferentes y es prácticamente imposible separarlas con las técnicas estándares.

Esto significa que cada célula del organismo desarrolla en su superficie una familia de azúcares. Más aún, el glicoma de una célula dada puede estar en un constante estado de flujo. Las células pueden ser capaces de hacer pequeños cambios en el azúcar que las envuelve, alterándolo en respuesta a patógenos o a cambios ambientales.

Para entender este proceso, los biólogos van a tener que aprender cómo las células hacen y alteran sus azúcares. Hasta ahora se sabe muy poco. Por ejemplo, no hay para los azúcares una receta simple o un código como el que existe para las proteínas. En lugar de esto, los azúcares son el producto de una misteriosa línea de ensamblaje a cargo de las enzimas en el aparato de Golgy, una suerte de fábrica en el interior de la célula que da los toques finales a las proteínas recién sintetizadas (fig. 1). Como si esto no fuera lo suficientemente complicado, diferentes tipos de enzimas se usan para hacer diferentes tipos de azúcares: las que agregan azúcares a la matriz celular son diferentes de las que agregan azúcar a las proteínas de la superficie celular.

Estas complejidades, lejos de amilanar al investigador, pueden ser un boom para la medicina humana. Modulando la actividad de estas enzimas puede ser posible activar o inhibir aspectos de la dinámica celular. Ello es una razón porque los glicomicos ven en esto una promesa para nuevas drogas y es por ello que ya muchas empresas farmacéuticas están involucradas en este tipo de búsqueda (cuadro 1). Muchas están interesadas en vacunas contra el cáncer, por métodos que permitirían inducir al organismo a reconocer y luchar contra células tumorales. Samuel Danishefsy y sus colaboradores del Sloan-Kettering Institute en Nueva York, están diseñando y ensayando vacunas que contienen muchos azúcares, tratando de incrementar las posibilidades de que provoquen una respuesta inmune más contra las células cancerosas (Figura 3). Esperan que en los próximos años este enfoque permita encontrar mejores tratamientos contra el cáncer.

Otros investigadores están tratando de dilucidar el rol de los azúcares en bacterias, virus y otros patógenos. Estos organismos pueden utilizar los azúcares como un medio para engañar nuestras defensas. Entendiendo como lo hacen, se podría fabricar drogas que permitan impedir sus trucos. Así por ejemplo, el virus de la influenza emplea una enzima llamada "glucosidasa", que utiliza para liberar nuevos virus recientemente formados, impidiendo la acción de los azúcares de la superficie de la célula. Una nueva droga que bloquea esta enzima se ha demostrado exitosa para abortar la gripe, ya que detiene la expansión del virus a nuevas células (Los avances contra la gripe).

Los glicomicos pueden también incrementar nuestro menguado arsenal de antibióticos para que realmente sean efectivos. Un antibiótico llamado "vancomicina", ya es la primera droga contra super-bacterias resistentes a los antibióticos. Los investigadores pueden ahora hacer versiones de ellos más potentes, impidiendo que las bacterias desarrollen su cobertura glucídica.

El hecho es que los glicomicos están muy optimistas y esperan lograr grandes éxitos. Es así como esperan caracterizar completamente el glicoma de un organismo. Sin embargo, Hart que es un entusiasta de que ello se logre, opina: "Yo no creo que ello se alcance a conocer en el escaso tiempo que vivimos".