Òmiques

Les òmiques són un conjunt de disciplines i aproximacions que estudien, de manera global i a gran escala, conjunts amplis de components o característiques d’un sistema biològic, com ara una cèl·lula, un teixit, un organisme o una comunitat de microorganismes. A diferència dels estudis centrats en un o uns pocs elements concrets, les ciències òmiques permeten analitzar simultàniament un gran nombre de característiques biològiques i estudiar-ne les relacions.

Què estudien les òmiques?

El terme «òmiques» engloba diferents disciplines, denominades habitualment amb el sufix -òmica, que estudien a gran escala diferents tipus de molècules i components dels sistemes biològics. Entre les principals hi ha:

• Genòmica: estudia el conjunt del material genètic d’un organisme, és a dir, el seu genoma, i n’analitza la seqüència d’ADN (gens i altres elements funcionals), i també les variacions que presenta a escala poblacional i la seva relació amb les funcions biològiques.
• Transcriptòmica: analitza el conjunt de molècules d’ARN presents en una cèl·lula, teixit o organisme en unes condicions determinades. Permet conèixer quines regions del genoma s’estan transcrivint i en quina quantitat, i proporciona així informació sobre l’activitat del genoma en un moment i context determinats. L’ARN es pot agrupar de manera general en ARN codificant, principalment l’ARN missatger (ARNm), que conté la informació utilitzada per produir proteïnes, i ARN no codificant, que inclou molècules amb funcions estructurals, catalítiques o reguladores, com ara l’ARN ribosòmic (ARNr), l’ARN de transferència (ARNt), els microARN (miRNA) o els ARN llargs no codificants (lncRNA), entre d’altres. Algunes aproximacions transcriptòmiques se centren principalment en l’ARN missatger, mentre que d’altres permeten estudiar diferents classes d’ARN, inclosos els ARN no codificants.
• Proteòmica: investiga el conjunt de proteïnes presents en una cèl·lula, teixit, biofluid o organisme, així com les seves quantitats o modificacions. Com que les proteïnes exerceixen nombroses funcions estructurals, metabòliques i reguladores, el seu estudi aporta informació sobre els processos biològics que tenen lloc en un sistema.
• Metabolòmica: se centra en el conjunt de metabòlits, és a dir, molècules de mida petita presents en una cèl·lula, teixit o organisme, com ara sucres, aminoàcids, lípids o productes de les reaccions metabòliques.
• Epigenòmica: estudia a gran escala les característiques de l’epigenoma, és a dir, les modificacions de l’ADN i de les proteïnes associades, així com altres aspectes de l’organització de la cromatina, que es relacionen amb la manera com les cèl·lules utilitzen la informació continguda en el genoma sense modificar-ne la seqüència. Entre les característiques epigenòmiques més estudiades es troben la metilació de l’ADN, determinades modificacions de les histones i l’accessibilitat de la cromatina. Aquestes característiques varien entre tipus cel·lulars i al llarg del desenvolupament i poden estar relacionades amb factors genètics i ambientals, l’envelliment i diferents estats de salut i malaltia.
• Metagenòmica: analitza el material genètic d’una comunitat de microorganismes present en una mostra biològica o ambiental, sense necessitat d’aïllar i cultivar cada microorganisme per separat. Permet estudiar la composició taxonòmica, és a dir, quins microorganismes hi són presents i en quina proporció, així com la diversitat de la comunitat i el seu potencial funcional. Quan es combina amb tècniques com la transcriptòmica o la metabolòmica, també pot aportar informació sobre la seva activitat real.

També hi ha altres disciplines òmiques, com ara la lipidòmica, centrada en els lípids, o la microbiòmica, que estudia de manera global les característiques de les comunitats microbianes.

Exposoma i exposòmica

L’exposoma engloba el conjunt d’exposicions i influències ambientals que afecten una persona al llarg de la vida. Inclou factors químics, físics, biològics, socials i relacionats amb l’estil de vida, així com els seus canvis al llarg del temps.

L’exposòmica és el camp que tracta de caracteritzar l’exposoma i estudiar-ne la relació amb la biologia i la salut. Per fer-ho, pot combinar múltiples fonts d’informació, com ara mesuraments de contaminants en mostres biològiques, sensors ambientals, qüestionaris, informació geogràfica i diferents tecnologies òmiques.

La metabolòmica i altres tècniques basades en l’espectrometria de masses poden contribuir a identificar tant algunes substàncies procedents de l’entorn com canvis moleculars associats a determinades exposicions. Aquests senyals es poden utilitzar per investigar la petjada que les exposicions ambientals deixen en l’organisme.

Com s’investiguen les òmiques?

Les investigacions òmiques fan servir tecnologies d’alt rendiment (high-throughput) capaces de generar grans quantitats de dades moleculars a partir de mostres biològiques. Per exemple, la seqüenciació s’utilitza principalment per estudiar l’ADN i l’ARN; la proteòmica es basa en gran manera en tècniques d’espectrometria de masses i en plataformes d’afinitat; i la metabolòmica utilitza principalment l’espectrometria de masses i la ressonància magnètica nuclear.

Les dades generades requereixen eines de bioinformàtica, estadística i ciència de dades per processar-les, analitzar-les i integrar-les.

Per a què serveixen les òmiques en salut?

Les òmiques permeten estudiar els mecanismes moleculars que intervenen en l’estat de salut i malaltia. Per exemple, es poden utilitzar per identificar variacions genètiques associades a malalties, estudiar com canvia l’activitat dels gens segons determinades exposicions, o caracteritzar alteracions en les proteïnes o el metabolisme en estats patològics. Aquesta informació serveix de base per desenvolupar nous tractaments o definir estratègies de prevenció. Així mateix, comprendre els mecanismes subjacents als factors ambientals aporta plausibilitat biològica i facilita la regulació en salut pública, tot i que aquest coneixement no sigui estrictament imprescindible per legislar.

També poden servir per identificar possibles biomarcadors, és a dir, característiques biològiques que es poden utilitzar per avaluar el risc, contribuir al diagnòstic o al pronòstic d’una malaltia, monitorar-ne l’evolució o predir la resposta a un tractament. Un biomarcador pot consistir en una única característica molecular o en una combinació de diverses. Abans d’usar-se en la pràctica clínica o en salut pública, la seva utilitat s’ha d’avaluar i validar en poblacions independents i en relació amb l’ús concret per al qual es proposa.

En salut pública, la genòmica de patògens té aplicacions especialment rellevants. L’anàlisi del material genètic de virus, bacteris i altres microorganismes pot ajudar a identificar agents infecciosos, seguir-ne l’evolució, investigar cadenes de transmissió i vigilar l’aparició i propagació de resistències als antimicrobians.

Què és la multi-òmica?

La multi-òmica consisteix a combinar dades procedents de diverses disciplines òmiques (per exemple, genòmica, epigenòmica, transcriptòmica, proteòmica i metabolòmica) per obtenir una visió més integrada d’un sistema biològic.

Cada nivell proporciona informació diferent i complementària. El genoma conté la informació genètica i, excepte algunes excepcions, és relativament estable al llarg de la vida. En canvi, l’epigenoma, el transcriptoma, el proteoma i el metaboloma són més dinàmics i poden variar segons el tipus de cèl·lula o teixit, l’edat, l’estat de salut, les exposicions ambientals i el moment en què s’obté la mostra.

Així, mentre que la genòmica informa principalment sobre la informació i variació genètica, altres òmiques permeten estudiar aspectes més dinàmics de la biologia, com ara l’activitat dels gens, les proteïnes presents o els processos metabòlics que tenen lloc en un moment i context determinats.

La integració d’aquestes dades pot ajudar a estudiar fenòmens complexos en què intervenen simultàniament factors genètics, moleculars i ambientals. Tanmateix, la gran quantitat d’informació generada també planteja importants reptes estadístics i computacionals.

És important matisar que una associació molecular no significa necessàriament que hi hagi una relació causal: pot haver-hi confusió amb terceres variables o causalitat inversa (quan el canvi molecular no és la causa de la malaltia sinó una conseqüència). A més, la interpretació dels resultats ha de tenir en compte factors com ara el tipus de mostra o teixit analitzat, el moment de la recollida, el mètode utilitzat i les característiques de la població estudiada, ja que poden influir en els senyals moleculars observats. 

Els resultats dels estudis òmics requereixen una interpretació biològica i estadística adequada i, generalment, una replicació o validació en estudis independents abans de traslladar-los a la pràctica clínica o a la salut pública. El tipus de validació necessària depèn de l’objectiu de l’estudi. Per exemple, quan es pretén demostrar un mecanisme biològic o desenvolupar una nova intervenció terapèutica, poden ser necessaris estudis funcionals en sistemes in vitro, models animals o altres models experimentals. En canvi, per a altres aplicacions, com ara l’avaluació de biomarcadors, són especialment importants la reproductibilitat dels resultats i la seva validació en poblacions diferents.