HOJA DE RUTA PARA EL FUTURO 
Todo lo que se escribe a continuación está extraido del libro Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future
Derechos de Autor 2012 por la Academia Nacional de Ciencias. Todos los derechos reservados.
Impreso en los Estados Unidos de América
El objeto del proyecto de este informe fue aprobado por la Junta Directiva del Consejo Nacional de Investigación, cuyos miembros proceden de los consejos de la Academia Nacional de Ciencias, la Academia Nacional de Ingeniería y el Instituto de Medicina del Gobierno. Los miembros del comité responsable del informe fueron escogidos por sus competencias especiales y respetando un equilibrio adecuado.
Este informe tiene el potencial de transformar el campo de glicociencia, pero más significativamente debería transformar la ciencia en forma dramática. Los azúcares son omnipresentes, y los científicos en todos los campos se darán cuenta de todo el potencial de su investigación sólo por abrazar e incorporar glicociencia. Las herramientas para la realización de este potencial aún no están disponibles. Es la esperanza de la comisión que este informe traerá la glicociencia en la corriente principal científica.
David Walt, Presidente
Comité de Evaluación de la importancia y
del impacto de Glicómica y Glycosciences
EL LENGUAJE DE LA VIDA: El centro son los azúcares
Los azúcares están en todas partes. Ellos son la base de toda vida en la Tierra.
Pero la glucosa no es la única molécula de azúcar de importancia para la salud humana. Nuestros células llevan azúcares complejos que comprenden moléculas de azúcar individuales unidos entre sí en una multitud de maneras. Estos azúcares complejos se refieren generalmente como glicanos. Los glicanos son una de las cuatro clases principales macromoléculas ácidos nucléicos, proteínas y lípidos siendo los otros tres, son esenciales para la vida y están implicados en todos los aspectos de la biología, medicina, y un número de aplicaciones prácticas.
Las proteínas y los lípidos a menudo requieren glicanos adjuntas para la actividad (glicoproteínas y glicolípidos, respectivamente). Estas estructuras, y combinaciones de estas estructuras, contienen información que se utiliza para una amplia variedad de procesos biológicos.
General
- Los glicanos son la familia más abundante de moléculas orgánicas en el planeta.
- El potencial de contenido de información de glicanos supera con mucho la de cualquier otra clase de macromoléculas.
- Cada célula viva en el planeta está cubierta con una matriz densa y compleja de glicanos.Estos glucanos forman la glycocalyx en muchos tipos de células (como en los seres humanos) y comprenden la pared celular en otros (tales como plantas).Algunas células no tienen un núcleo, pero todas tienen una glycocalyx o pared celular.
- Cada molécula, célula, u organismo que interactúa con una célula deben hacerlo en el contexto de la glycocalyx o pared celular.
- La gran mayoría de las proteínas celulares y secretadas se modifican con glicanos, que modifican, alteran, y / o controlan sus funciones.
Salud
- La eliminación de una sola clase importante de glicanos de un organismo daría como resultado la muerte.
- Cada enfermedad que afecta a los seres humanos implica de manera significativa a los glicanos.
- Una gran mayoría de las interacciones huésped-patógeno implica glicanos, a través del reconocimiento, la degradación, o mimetismo molecular.
- La mayoría de las proteínas terapéuticas deben ser glicosilados correctamente para ser funcionalmente eficaces
- La Glicosilación alterada es una característica universal del cáncer y contribuye a su progresión y a la patogénesis
De hecho, la glicosilación de la superficie celular (es decir, el proceso por el cual las células crean y despliegan su glycocalyx) es tan importante para la comprensión de la vida como lo es el código genético, sin embargo, nuestra comprensión de la información contenida en la glicosilación es rudimentaria en el mejor de los casos. En gran escala esta faltada de conocimiento científico.
Estos glicanos de superficie son esenciales para la comprensión y el tratamiento de muchas enfermedades. El patrón de azúcares en una célula causa patógenos-virus y bacterias para atacar a ciertos tipos de células. Muchas bacterias y virus reconocen azúcares específicos sobre tipos de células particulares. A su vez, el sistema inmunológico de una persona genera anticuerpos contra estos invasores basadas en gran medida en los glicanos de estos patógenos. Añadiendo complejidad, muchos patógenos realizan mimetismo molecular de glicanos de acogida con el fin de evadir la respuesta inmune. Además, existe una creciente evidencia de que los glicanos en las células cancerosas se diferencian de los de las células normales, la presentación de una oportunidad prometedora para el diagnóstico, formación de imágenes y terapia. Además de su papel en las superficies celulares, glicanos juegan un papel importante en la comunicación biológica y la señalización.
Para entender completamente el funcionamiento de los organismos vivos y para realizar plenamente la promesa de la genómica y la proteómica, será imprescindible que la ciencia ahora active sus esfuerzos para descifrar la complejidad de los glycómicos. Si no se presta atención a los glicanos, se habrá olvidado un componente importante de la biología. La Glicociencia no puede pasarse por alto. Sin una mejor comprensión de la glicoma, no será posible una comprensión clara de cáncer, de las enfermedades infecciosas, y la respuesta inmune.
La genómica y proteómica han avanzado rápidamente. La Glicociencia y glycomica también han dado pasos para permitir a los científicos a entender el papel que juegan los glicanos en los sistemas biológicos. Investigadores de la glicociencia han estado desarrollando una base fundamental del conocimiento que puede ser utilizado para ayudar a resolver muchos de los principales problemas de investigación actuales. Esta base de conocimientos, cuando se combina con la actual gama de instrumentos disponibles para sondear la estructura y función de los glicanos, es un poderoso recurso para comprender mejor la biología humana, vegetal y microbiana.
La Glicociencia, hasta hace poco, ha sido explorada sólo por un pequeño grupo de expertos, que trabajan con la información muy limitada y con los recursos que están disponibles en campos como la genómica y la proteómica. Lo que se sabe acerca de la glicociencia y glycomica, en el estudio de la serie completa de glicanos en un organismo, es aún incompleta. Pero el conocimiento disponible actualmente hace posible la integración de la glicociencia ampliamente en los campos de la salud humana, la energía, y la ciencia de los materiales, y el conjunto de herramientas, aunque no es perfecta, proporciona una base para permitir un mayor desarrollo y descubrimiento.
El Consejo Nacional de Investigación de la Academia Nacional de Ciencias convocará un comité para:
- Llevar a cabo un análisis en profundidad de la situación actual de la investigación en glicociencia y glycomica en los EE.UU.;
- Comparar la corriente de Estados Unidos y los esfuerzos internacionales de investigación en glicociencia;
- Discutir retos clave para el crecimiento y el desarrollo del campo de la glicociencia y glycomica;
- Desarrollar un plan de trabajo con objetivos concretos de investigación para avanzar significativamente en glicociencia y glycomica en los EE.UU., incluyendo la identificación de indicadores que puedan utilizarse para ayudar a evaluar los esfuerzos para lograr estas metas y objetivos;
- Articular una visión unificada para el campo de la glicociencia y la glycomica.
Además, el comité convocó el Taller sobre el futuro de la Glicociencia en enero de 2012, que reunió a unos 75 glicocientificos y líderes de pensamiento científico con experiencia en biología, química y ciencia de los materiales para discutir el campo y sus oportunidades y necesidades.
Esta imagen representa los 25 principales países que disponen de publicaciones en glicociencia. El tamaño de las burbujas representa proporcionalmente la cantidad de las documentos de glicociencia publicados.
GLICOCIENCIA Y SALUD
El desarrollo de una comprensión más completa de los glicanos puede afectar el diagnóstico y tratamiento de enfermedades infecciosas, crónicas, y enfermedades genéticas.
La INFLAMACIÓN
La inflamación, tanto crónica como aguda, subyace en la patología de una amplia gama de enfermedades, incluyendo la diabetes, el cáncer, la artritis, el asma, enfermedades del corazón y las enfermedades infecciosas. Los glicanos desempeñan un papel clave en la inflamación en muchos niveles.
La INMUNIDAD y la INFECCIÓN
Se está haciendo evidente que muchas de estas interacciones proteína-glicano están involucrados en el equilibrio crítico entre la tolerancia inmune y la generación de una respuesta inmune fuerte.
Algunas enfermedades autoinmunes humanas implican auto-anticuerpos que reconocen auto-glicanos. Los glicanos en un patógeno pueden ser suficientemente similares a un glicano humano de tal manera que una respuesta inmunitaria al patógeno conduce a la generación de anticuerpos de reacción cruzada. Por ejemplo, esto se piensa que es el caso en el desarrollo del síndrome de Guillain-Barré y el síndrome de Miller Fisher. La importancia de los anticuerpos antiglycano también se está estudiando en otras enfermedades autoinmunes, tales como lupus eritematoso sistémico y la artritis reumatoide.
Mientras glicanos son importantes en la regulación de la inmunidad, también son piezas clave en la batalla constante entre nuestras células y patógenos invasores, como virus, bacterias y parásitos.
La investigación ha confirmado recientemente que los glicanos complejos presentes en la leche humana juegan un papel en la protección de los recién nacidos de infecciones y representan una forma importante de la inmunidad innata .
La variedad de las diferentes estructuras de glicanos en la leche humana es enorme, y los métodos glycomicos desarrollados recientemente están empezando a dilucidar el glicoma de la leche humana.
El conocimiento más detallado acerca de glicanos leche podría conducir a nuevos agentes antimicrobianos para evitar que, en lugar de tratar las infecciones.
Debido a que todas las células humanas están cubiertas con una gruesa glycocalyx, casi todos los agentes patógenos, incluyendo virus, debe ganar la entrada a sus células diana mediante la interacción con glicanos.
Los hallazgos recientes muestran que los seres humanos inmunes al VIH producen anticuerpos que se unen al escudo de glicano y neutralizan la infección por la mayoría de las cepas de VIH.
Los anticuerpos más potentes identificados hasta la fecha que neutralizan la infección por VIH son aquellos que se unen al escudo de glicano.
Más de 15 millones de muertes ocurren cada año debido a enfermedades parasitarias.
No existen vacunas eficaces contra las principales enfermedades parasitarias como la malaria, tripanosomiasis, la esquistosomiasis y amebiasis. Dado el éxito de las vacunas basadas en glicanos contra las bacterias y el conocimiento cada vez mayor con respecto a nuevos glicanos linaje específico de los parásitos, esta zona también representa un objetivo prometedor para el desarrollo de futuras vacunas.
Está claro que los glicanos desempeñan un papel central en nuestra batalla contra la invasión de organismos de todo tipo. Como la resistencia a los antibióticos sigue aumentando, y la necesidad de antivirales y antiparasitarios se agudiza, los esfuerzos más enfocados a determinar los roles centrales de glicanos en las enfermedades infecciosas y el desarrollo de vacunas será cada vez más importante.
La ENFEREDAD CARDIOVASCULAR
La enfermedad cardiovascular es la principal causa de muerte en el mundo. Recientemente se ha vuelto evidente que el glicocálix de las células endoteliales vasculares juega un papel crítico en la etiología de la enfermedad cardiovascular.
La DIABETES
Diabetes, otra enfermedad crónica de la creciente prevalencia y preocupación, es una causa importante de la aterosclerosis. Un modelo actual sugiere que la expresión anormal de proteoglicanos o glicosaminoglicanos en los diabéticos contribuye a la unión de las partículas de lipoproteínas ricas en colesterol en los sitios en el endotelio vascular.
La DIABETES tipo 2
Estos estudios no sólo sirven como un ejemplo más de cómo los cambios sutiles en la glicosilación pueden tener un impacto en la enfermedad humana de maneras inesperadas, sino que también sugieren una nueva diana para la posible prevención de la destrucción de las células beta en la diabetes tipo 2.
El ALZHEIMER, la ESQUIZOFRENIA
En las enfermedades neurodegenerativas del envejecimiento, tales como la enfermedad de Alzheimer.
Investigaciones recientes han demostrado que O-GlcNAcylation juega un papel importante en las funciones cerebrales y neuronales, incluyendo el aprendizaje y la memoria.
El ácido polisiálico y moléculas de adhesión neural en tales trastornos como la enfermedad de Alzheimer y la esquizofrenia también se están explorando.
El CÁNCER
Si la enfermedad cardíaca es la principal causa de muerte en el mundo, el cáncer es el número dos y ganando terreno. Una vez más, los glicanos parecen jugar un papel central en este complejo conjunto de enfermedades.
La alteración o glicosilación anormal de proteínas es universal en las células cancerosas de todo tipo.
La glicosilación alterada también es la base de muchas de las propiedades de la célula de cáncer, incluyendo la propensión a metástasis.
La alteración del glicocálix de las células tumorales juega un papel clave en enmascarar los antígenos de la superficie y evadir los mecanismos de vigilancia inmune.
Todavía hay mucho que aprender acerca de las funciones específicas de los glicanos en el cáncer.
ENFERMEDADES GENÉTICAS
Las enfermedades genéticas tanto de la biosíntesis de glicanos y la degradación de glicanos establecen claramente las funciones críticas de glicanos en el desarrollo humano. Actualmente, hay unos 4.500 trastornos genéticos identificados de los cuales 2700 con la causa bioquímica desconocida.
Muchas enfermedades genéticas cuya etiología es desconocida hoy pueden llegar a ser vinculadas a la glicosilación. De hecho, la investigación en los últimos 15 años, ha identificado más de 65 trastornos de glicosilación, muchos de los cuales no tienen defectos en los genes conocidos.
DISTROFIA MUSCULAR
Las formas severas de la distrofia muscular resultado cuando una mutación genética hace glicosilación anormal.
LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA
La gran mayoría de bioterapéuticos se producen como glicoproteínas.
A pesar de las muchas funciones de los glicanos en la biología, todavía hay relativamente pocos fármacos basados en glicanos. Se identifican sólo nueve en el mercado.
Este número pequeño es una consecuencia de las dificultades para la síntesis de glicanos que normalmente se traduce en una mala farmacocinética.
En cambio, la mayoría de las empresas sintetizan moléculas para imitar a los glicanos.
Sin embargo, con las propiedades farmacocinéticas adecuadas, medicamentos a base de glicanos pueden resultar increíblemente útiles.
La industria farmacéutica está en el primer paso del diseño y desarrollo de fármacos de glico mimética.
Los anticuerpos, que son glicoproteínas, se han utilizado como agentes terapéuticos desde hace más de 100 años y el desarrollo de anticuerpos monoclonales en la década de 1970 a revolucionado su potencial terapéutico. En los últimos años, la industria farmacéutica ha puesto un esfuerzo significativo en el desarrollo de anticuerpos terapéuticos. Sin embargo, sólo recientemente se dieron cuenta de la importancia de comprender los tipos de glicanos unidos a anticuerpos, que juegan un papel en su eficacia y seguridad.
MENSAJES CLAVE SOBRE GLICOCIENCIA Y SALUD
- Los glicanos juegan un papel crítico en todos los aspectos de la salud humana.
- Los glicanos están directamente implicados en la fisiopatología de todas las enfermedades principales.
- La importancia de glicanos a tantas áreas de la biología y la diversidad de roles que glicanos juego no son sorprendentes, ya que son una de las cuatro clases fundamentales de las moléculas biológicas y son abundantes en la superficie celular, así como los principales modificadores de proteínas y lípidos.
- Será necesario el conocimiento adicional de glicociencia para hacer realidad los objetivos de la medicina personalizada y de aprovechar las importantes inversiones en el genoma humano y la investigación proteoma y su impacto en la salud humana.
- Los glicanos son cada vez más importante en el desarrollo farmacéutico.
Los glicanos median funciones específicas, y presentan oportunidades únicas para el desarrollo racional de estrategias terapéuticas para una amplia gama de enfermedades.
La mayoría de las proteínas en los mamíferos están glicosiladas, y los componentes de hidratos de carbono juegan papeles esenciales en el desarrollo, en la respuesta inmune,
El papel de los carbohidratos es a menudo esencial para la función de las células.
Las estructuras de los glicanos son las que determinan en última instancia sus funciones biológicas.
Los carbohidratos se unen a una proteína específica, formando estructuras tridimensionales que tienen cinco y cincuenta y siete unidades de monosacárido.
Está claro que la población de glicoformas producida por una célula es clave para entender sus funciones biológicas en general.
HOJA DE RUTA
La comisión considera que ahora es necesario un esfuerzo concertado en glicociencia y será suficiente para crear las herramientas y los métodos necesarios.
El Comité considera que:
- Los glicanos están directamente implicados en la fisiopatología de todas las enfermedades principales.
- Será necesario el conocimiento adicional de glicociencia para hacer realidad los objetivos de la medicina personalizada y de aprovechar las importantes inversiones en el genoma humano y la investigación proteoma y su impacto en la salud humana.
- Los glicanos son cada vez más importantes en el desarrollo farmacéutico
Objetivos de la Hoja de Ruta
- Dentro de 5 años, la integración de la glicociencia como una parte importante del plan de estudios de la ciencia, incluiría glicociencia tanto en clase y en la práctica en experimentos o actividades.
- Dentro de 10 años, la glicociencia se integrará y se darán clases en todos los niveles donde quiera que sea relevante para comprender el contenido científico. Las competencias en glicociencia también podrían incluirse en todas las pruebas estandarizadas cuando sea pertinente (por ejemplo, como parte de las pruebas SAT y GRE Subject, el MCAT, y exámenes de la Junta Médica).
Para lograr estos objetivos, la Comisión toma nota de que tendrían que implementarse para definir las competencias de glicociencia apropiada e incorporar temas de glicociencia en los marcos educativos en múltiples niveles de mecanismos. El proceso de creación de políticas de educación y desarrollo e implementación de los planes de estudio varía de un estado a otro, de una universidad a otra, y de país a país. Aunque el comité no puede definir las medidas concretas necesarias para alcanzar sus metas educativas recomendadas, el Comité alienta la participación de expertos en glicociencia en estos procesos.
La Glicociencia es un campo vibrante llena de problemas difíciles. La investigación puede hacer aportes significativos para la comprensión y la mejora de la salud humana, la creación de combustibles y materiales de última generación, y contribuir a la innovación y el desarrollo económicos. Ahora es el momento para que la glicociencia sea abarcada ampliamente por la comunidad científica. La Colaboración de miembros de todo el espectro de la química, la biología, la ciencia de materiales, la ingeniería, la medicina y otras disciplinas serán necesarias para hacer frente a los desafíos técnicos que aquí se describen. Aunque estos retos son importantes y complejos, los resultados de la consecución de estos objetivos tienen el potencial de impactar en la ciencia de forma interesante.