Анализ метаболитов в реальном времени

Биологи ETH Zurich разработали метод, который впервые позволяет одновременно и почти в реальном времени измерять изменения концентрации нескольких сотен продуктов метаболизма. Техника может найти применение в фундаментальных биологических исследованиях и поиске новых фармацевтических агентов.

Исследовательские группы Уве Зауэра и Николы Замбони разработали метод, позволяющий одновременно и почти в реальном времени определять концентрацию сотен метаболитов.

Высокопроизводительная метаболомика

Несколько лет назад учёные создали метод, не требующий хроматографического разделения. Анализ образца проводится непосредственно в масс-спектрометре, а информация об ингредиентах извлекается из огромного массива данных с помощью специального ПО. Идентификация 300–800 различных метаболитов в образце занимает всего минуту, что делает возможным анализ тысяч образцов в день.

Автоматизированные динамические измерения

Идея измерений в реальном времени была реализована на различных культурах клеток: двух видах бактерий, дрожжах и клетках мыши. Клетки выращивали в питательной среде непосредственно рядом с измерительным прибором. Автоматическая насосная система отбирала крошечное количество из культуры клеток каждые 10 секунд для анализа.

Бактерии в режиме ожидания

Исследователи не только доказали принципиальную возможность таких онлайн-измерений, но и получили новые данные о том, как бактерии E. coli переключаются из режима «ожидания» в фазу роста.

Учёные держали бактерии в среде без сахара в течение двух часов, что перевело их в «дежурный» режим. После этого бактериям снова предоставили сахар. В течение минуты клетки возобновили производство метаболитов для роста и деления.

Однако поведение 10 из почти 300 изученных метаболитов отличалось от большинства: их концентрация увеличивалась в фазе голодания и уменьшалась в фазе оптимального снабжения. Исследователи полагают, что это ключевые метаболиты, влияющие на чрезвычайно быстрое переключение общего метаболизма между двумя фазами. Эти 10 метаболитов — восемь специфических аминокислот и две молекулы, из которых клетки производят строительные блоки ДНК и РНК. Их объединяет одно: клеткам приходится затрачивать большое количество энергии на их производство.

С помощью компьютерной модели учёные показали, как работает регуляция: 10 метаболитов, сохранённых в фазе голодания, препятствуют их избыточному производству в начале фазы роста с помощью механизма обратной связи. В результате клетки не тратят энергию на синтез этих 10 метаболитов, а направляют ресурсы на производство других молекул.

Помощь в разработке лекарств

Новый метод полезен для получения первого представления о том, как клетки реагируют на внешний стимул. Он подходит для анализа всех метаболических процессов, происходящих в течение периода от получаса до нескольких часов. Возможные применения метода — не только фундаментальные исследования, но и, например, скрининг потенциальных новых фармацевтических средств для изучения их влияния на метаболизм.