Estudio metabolómico comparativo del café: ¡resolviendo su rompecabezas químico!
Carolina Camacho Vázquez1*, José A. Guerrero Analco1 y Juan L. Monribot Villanueva1*
La metabolómica comparativa determina la composición química de dos muestras independientes en condiciones contrastantes para identificar patrones de similitud química y compuestos distintivos o únicos en cada una de ellas.
Las plantas de café (Coffea sp.), como todos los organismos vivos, enfrentan condiciones de estrés en su entorno que pueden ser causados por factores abióticos y bióticos. Los factores abióticos son todos aquellos que no tienen vida, como la temperatura, nutrimentos del suelo, agua, entre otros. Por otro lado, los factores bióticos son todos aquellos que sí tienen vida y algunos ejemplos de este tipo de estrés lo provocan los microorganismos (hongos, bacterias, entre otros) que causan enfermedades a las plantas y que afectan significativamente su crecimiento y productividad. Sin embargo, las plantas no son pasivas frente a estos desafíos. En realidad, han desarrollado respuestas adaptativas particulares que en algunos casos involucran cambios en su composición química, produciendo compuestos orgánicos especializados, también llamados metabolitos secundarios. Estas interacciones químicas que ocurren en la naturaleza de manera imperceptible ante los ojos humanos constituyen una verdadera batalla química, en donde, el organismo que tenga el mejor arsenal tendrá una ventaja sobre el otro (Figura 1).
Este arsenal químico al que hacemos referencia se conoce en el mundo científico como metabolismo secundario o especializado y es responsable de producir una amplia variedad de compuestos químicos, como flavonoides, alcaloides, policétidos y terpenos, los cuales juegan un papel crucial en la defensa contra patógenos (organismos que causan enfermedades), en la protección contra el estrés ambiental ya sea por altas temperaturas o la falta de agua en épocas de sequía. La diversidad en la composición y función de estos metabolitos secundarios es clave para entender cómo las plantas de café responden de manera diferente a factores abióticos y bióticos.
La metabolómica comparativa es una técnica analítica que nos permite descubrir esos secretos del arsenal químicos de los organismos y entender, por ejemplo, cómo las plantas responden a su entorno de manera diferente. Al analizar los metabolitos, las moléculas pequeñas que se producen en las plantas, podemos:
- Identificar patrones de acumulación de metabolitos asociados con la salud y el crecimiento de las plantas.
- Descubrir compuestos químicos que confieren resistencia a enfermedades o al estrés abiótico.
- Entender cómo las plantas adaptan su metabolismo en respuesta a cambios en su entorno (ambiente).
Para descubrir los secretos químicos de la defensa en las plantas de café, los científicos utilizan una técnica químico-analítica llamada espectrometría de masas (EM), y herramientas estadísticas que les permiten realizar los análisis metabolómicos comparativos. La EM permite identificar y cuantificar los metabolitos presentes en una muestra, como una hoja, una raíz, o un grano de café. Esta aproximación funciona de la siguiente manera: Primero, se convierte la muestra en una mezcla de moléculas en fase gaseosa. Luego, se aceleran estas moléculas a través de un campo magnético utilizando diferentes voltajes, separándolas según su peso (masa) y carga. Finalmente, se detecta y analiza la señal de cada molécula, creando un espectro de masas único (Figura 2) que es equivalente a una huella dactilar, en este caso espectrométrica.
Figura 2. Espectro de masas del café
Este espectro de masas es como un rompecabezas químico. Cada pieza del rompecabezas representa un metabolito específico, y al ensamblarlas, obtenemos una imagen completa de la composición química de la planta. Al comparar los rompecabezas de distintas plantas de café, algunas resistentes y otras susceptibles, podemos identificar las piezas clave que faltan o sobran, y revelar así las diferencias detrás de su estado de salud o enfermedad, desarrollo y crecimiento, y descubrir patrones y conexiones entre los metabolitos. En la Figura 3 se muestra gráficamente este concepto. Te has puesto a pensar, ¿cuántos compuestos químicos están presentes en una planta? En realidad, hay muchos y con funciones muy distintas. Si comparas los rompecabezas químicos que provienen de las plantas resistentes y de las plantas susceptibles encontrarás compuestos químicos que están presentes en ambas plantas, como la cafeína y el ácido ferúlico. El hecho de que estén presentes en ambas plantas sugiere que estos compuestos no son responsables de que la planta resistente toleré mejor las condiciones de estrés abiótico o biótico. Por otro lado, las plantas más resistentes presentan compuestos químicos como la quercetina, el ácido clorogénico, entre otros que no están presentes en la planta susceptible y son precisamente estos metabolitos los probables responsables de la resistencia.
Figura 3. Identificación que metabolitos a través de espectrometría de masas para encontrar las diferencias químicas entre una planta resistente y una planta susceptible. Crédito: Uriel de Jesús Peña
En el laboratorio de Química de Productos Naturales del Instituto de Ecología A.C., en colaboración con otros grupos de investigación, hemos usado esta estrategia de análisis químico comparativo con la finalidad de identificar compuestos importantes involucrados en los mecanismos de defensa de frutos de importancia nacional como el aguacate, mango y la manzana ante el ataque de moscas de la fruta (ver referencias 1, 2 y 3) o también hemos comparado la composición química de mangos de diferentes cultivares altamente apreciados (Tommy y Ataulfo) versus cultivares locales con baja vida de anaquel (Manila y Criollo) (ver referencias 4 y 5). En todos estos estudios hemos encontrado compuestos en cantidades distintas que permiten explicar las diferencias en la resistencia al ataque de las moscas o la larga vida postcosecha que tienen algunos cultivares de mango.
Conclusión
La metabolómica comparativa mediante la espectrometría de masas constituye una herramienta poderosa para descubrir los secretos de la naturaleza y entender cómo las plantas de café responden a su entorno. Al analizar los metabolitos y comparar los rompecabezas químicos, podemos revelar los secretos detrás de la salud y el crecimiento de estas plantas y desarrollar aplicaciones prácticas que beneficien a la sociedad.
Agradecimientos
C.C.V (CVU 561704) agradece al CONAHCYT por la beca posdoctoral otorgada. Se agradece el apoyo del INECOL para los mantenimientos de las plataformas analíticas para estudios de metabolómica al laboratorio de Química de Productos Naturales (QPN). J.A.G.-A. (CVU 43039) agradece al CONAHCYT por el apoyo recibido para su estancia sabática (No. 854285).
Referencias
- Aluja, et al., (2023). International Journal of Molecular Sciences, 24(3), 2060.
- Guillén, et al., (2022). Insects 13: 141.
- Aluja, et al., (2024). Scientific Reports, 14(1), 27729.
- Camacho-Vázquez, et al., (2019). Postharvest Biology and Technology, 148, 83-96.
- Monribot-Villanueva, et al., (2019). Food chemistry, 285, 119-129.
