Analiza metabolnih produktov v realnem času | 2020

Vsebina:

Anonim

Analiza vseh presnovkov naenkrat ni posebej enostavna, ker so metaboliti zelo raznolik razred bioloških snovi. "V to skupino spadajo različni sladkorji, maščobe, selivski materiali in aminokisline - torej popolnoma različne molekule. Njihova edina podobnost je, da so majhne, ​​vsaj v primerjavi z beljakovinami in molekulami RNA, ki se pojavljajo v masnih celicah," pojasnjuje Sauer.

Visoko zmogljiva metabolomika

Dolgotrajno merjenje stotine metabolitov v tekočini - na primer urina ali krvi - ali v celicah je bilo zelo dolgotrajno. Večina biologov je uporabila metode, pri katerih je bila mešanica snovi najprej ločena s kromatografijo, nato pa so bile ločene sestavine identificirane v masnem spektrometru.

Pred nekaj leti je Sauer, Zamboni in njihovi sodelavci razvili metodo, ki je naredila kromatografsko ločevanje nepotrebno. "Zdaj lahko analiziramo vzorec neposredno v masnem spektrometru in filtriramo informacije o sestavinah iz ogromne količine podatkov s pomočjo programske opreme, ki smo jo razvili," pravi Sauer. Identifikacija 300 do 800 različnih presnovkov v vzorcu traja le minuto, kar pomeni, da je analiza tisočev vzorcev v enem dnevu - prej samo sanje - postala resničnost.

Avtomatizirane dinamične meritve

»Uspeh te meritve z visoko zmogljivostjo nas je pripeljal do ideje meritev v realnem času,« pravi Sauer. To je koristno, ker se metabolizem zelo hitro odzove na spremembe spodbude: "Če na primer osvetlite rastlino v temi, se koncentracije njenih metabolitov spremenijo v samo nekaj sekundah." Natančen časovni potek spremembe koncentracije v odgovor na nove dražljaje je pomembna in pomembna informacija v biologiji.

Znanstveniki ETH so v realnem času izvedli zamisel o merjenju z uporabo različnih celic v kulturi: dve bakterijski vrsti, vrsta kvasa in mišje celice. Raziskovalci pustijo, da celice rastejo v gojišču neposredno poleg merilnega instrumenta. Samodejni sistem črpalk je vsakih 10 sekund ekstrahiral majhno količino iz celične kulture, da bi jo analiziral v instrumentu.

Bakterije v stanju pripravljenosti

Raziskovalcem ni uspelo samo dokazati, da so takšne on-line meritve načeloma možne pri vseh vrstah celičnih kultur; zahvaljujoč njihovi tehnologiji so pridobili tudi nov vpogled v to, kako bakterije E. coli prehajajo iz načina pripravljenosti v fazo rasti. Bakterije pustijo, da stradajo dve uri, tako da jih ohranijo v gojišču brez sladkorja. Posledično bakterije preidejo v program "stand-by" tako, da ustavijo proizvodnjo večine metabolitov in razgradijo obstoječe, da bi pridobili energijo za preživetje. Po tej fazi stradanja so znanstveniki ponovno dali bakteriji sladkor. V eni minuti so celice nadaljevale s proizvodnjo metabolitov, da bi rasle in se razdelile.

Vendar pa so znanstveniki osupli obnašanje 10 od skoraj 300 preučenih metabolitov, ki so se obnašali drugače od večine: njihova koncentracija se je povečala med fazo stradanja in se zmanjšala med optimalno fazo dobave. Raziskovalci verjamejo, da so to ključni metaboliti, ki vplivajo na izjemno hitro preklapljanje celotne presnove med obema fazama. Teh 10 metabolitov je osem specifičnih aminokislin - gradnikov beljakovin - in dveh molekul, iz katerih celice tvorijo gradnike DNK in RNA. In imajo eno skupno stvar: celice morajo porabiti veliko energije za njihovo proizvodnjo. "Predvidevamo, da celice med fazo stradanja ne razgradijo takšnih dragocenih gradnikov, temveč jih shranijo, da imajo najboljše možne začetne pogoje za naslednjo rastno fazo," pravi Sauer.

Z uporabo biološkega računalniškega modela sistemov so znanstveniki pokazali, kako deluje ureditev: 10 metabolitov, shranjenih med fazo stradanja, preprečuje celicam, da bi jih na začetku faze rasti s pomočjo mehanizma povratnih informacij proizvedle več. Posledično celice ne porabijo energije v dragi konstrukciji 10 metabolitov, ampak v celoti vložijo v sintezo drugih molekul.

Koristne pri razvoju zdravil

Sauer trenutno uvaja novo metodo v realnem času znanstveni skupnosti. "To je zelo uporabna metoda za prvi pregled, kako se celice odzivajo na zunanji dražljaj. Zato je primeren za analizo vseh presnovnih procesov, ki se odvijajo v obdobju pol ure do več ur," pravi. Možne aplikacije vidi ne le v osnovnih bioloških raziskavah, ampak tudi na primer pri pregledu potencialnih novih farmacevtskih sredstev. Tako bi lahko odkrili, kako droga spreminja metabolizem - metodo, ki jo Sauerjeva skupina zdaj uporablja za take preiskave.