Анализ всех метаболитов сразу не особенно легок, так как метаболиты – очень разнообразный класс биологических веществ. «Различный сахар, жиры, материалы посыльного и аминокислоты принадлежат этой группе – таким образом, совершенно другие молекулы. Их единственное подобие – то, что они маленькие, по крайней мере по сравнению с белками и молекулами РНК, которые происходят в массовом масштабе в клетках», объясняет Соер.Высокая пропускная способность metabolomics
В течение долгого времени одновременное измерение сотен метаболитов в жидкости – например, моча или кровь – или в клетках было очень трудоемким. Большинство биологов использовало методы, в которых смесь вещества была сначала отделена хроматографией, и затем отделенные компоненты были определены в массовом спектрометре.
Несколько лет назад Соер, Zamboni и их коллеги разработали метод который сделанный хроматографическим ненужным разделением. «Мы можем теперь проанализировать образец непосредственно в массовом спектрометре и отфильтровать информацию о компонентах от огромного объема данных, используя программное обеспечение, которое мы разработали», говорит Соер. Идентификация 300 – 800 различных метаболитов в образце занимает только минуту, что означает, что анализ тысяч образцов за один день – ранее только мечту – теперь стал действительностью.
Автоматизированные динамические измерения«Успех этого метода измерения высокой пропускной способности принес нам к идее измерений в реальном времени», говорит Соер. Это полезно, потому что метаболизм очень быстро отвечает на изменения стимула: «Если, например, Вы проливаете свет на завод в темноте, концентрации его изменения метаболитов всего за несколько секунд». Точный выбор времени изменения концентрации в ответ на новые стимулы – важная и значащая информация в биологии.Ученые ETH реализовали свою идею измерения в реальном времени при помощи различных клеток в культуре: две бактериальных разновидности, разновидность дрожжей и клетки мышей.
Исследователи позволяют клеткам вырасти в питательной среде непосредственно рядом с измерительным прибором. Автоматическая система насоса извлекала крошечную сумму из клеточной культуры каждые 10 секунд, чтобы проанализировать его в инструменте.Бактерии на резервеИсследователям не только удалось доказать, что в принципе такие измерения онлайн возможны со всеми типами клеточных культур; благодаря их технологии они также получили новое понимание того, как E. coli бактерии переключаются с ‘резервного’ способа в фазу роста.
Они позволяют бактериям голодать в течение двух часов, держа их в питательной среде без сахара. Как следствие бактерии переключаются на ‘резервную’ программу, останавливая производство большинства метаболитов и ломая существующие, чтобы получить энергию для выживания. После этой фазы голодания ученые снова предоставили бактериям сахар.
В течение одной минуты клетки возобновили производство метаболитов, чтобы вырасти и разделиться.Однако ученые были сбиты с толку поведением 10 из этих почти 300 изученных метаболитов, который вел себя по-другому по сравнению с большинством: их концентрация увеличилась во время фазы голодания и уменьшилась во время оптимальной фазы поставки.
Исследователи полагают, что это ключевые метаболиты, которые влияют на чрезвычайно быстрый выключатель полного метаболизма между этими двумя фазами. Эти 10 метаболитов – восемь определенных аминокислот – стандартные блоки белков – и две молекулы, из которых клетки производят стандартные блоки ДНК и РНК.
И у них есть одна общая черта: клетки должны израсходовать большую сумму энергии произвести их. «Мы предполагаем, что клетки не ломают такие ценные стандартные блоки во время фазы голодания, но вместо этого экономят их, чтобы иметь самые лучшие стартовые условия для последующей фазы роста», говорит Соер.Используя системы биологическая компьютерная модель, ученые смогли показать, как регулирование работает: эти 10 метаболитов, спасенных во время фазы голодания, препятствуют тому, чтобы клетки произвели больше из них в начале фазы роста посредством механизма обратной связи. В результате клетки не тратят впустую энергию в дорогом строительстве этих 10 метаболитов, но помещают их ресурсы полностью в синтез других молекул.
Полезный в развитии леченияSauer в настоящее время делает новый метод в реальном времени известным научному сообществу. «Это – очень полезный метод, чтобы получить первый обзор того, как клетки реагируют на внешний стимул. Это делает его подходящим для анализа всех метаболических процессов, которые происходят в течение времени получаса к нескольким часам», говорит он.
Он видит возможные заявления не только в основном биологическом исследовании, но также и, например, в показе потенциально новых фармацевтических агентов. Это позволило бы обнаружить, как препарат изменяет метаболизм – метод, который группа Соера теперь использует для таких расследований.