Если бы мы фотографировали на станциях метро в Барселоне, мы бы увидели количество людей, ожидающих, узнали, в какое время наступает час пик, и сделали вывод, почему одни станции загружены больше, чем другие. Однако мы не знаем, произошло ли что-то между одной станцией и другой, что привело к увеличению количества людей на платформах или могло вызвать задержки. Вот что происходит, когда изучается метаболизм клетки.
Метаболизм клетки подобен подземной сети, в которой химические структуры метаболитов переходят от одной станции к другой посредством биохимических превращений. До сих пор можно было определить количество многих метаболитов в клетке, ткани или организме, но изучение их потоков технически гораздо сложнее и требует больше времени. Однако теперь группа исследователей из URV, CIBERDEM и IRB Barcelona разработала новый инструмент, который делает это возможным.
Использовавшиеся до сих пор методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) охватывали очень небольшое количество метаболитов, исследователям могли потребоваться часы, чтобы измерить каждый образец, а данные было трудно интерпретировать. Новый подход работает очень быстро - 10 минут на образец - получается гораздо больше метаболитов, а результаты намного легче интерпретировать. Другими словами, движения, производимые метаболизмом, могут быть определены гораздо проще и эффективнее.
Это методология, основанная на ЯМР, которая измеряет атомы водорода (протоны) для косвенного определения количества атомов углерода, отмеченных в химической структуре метаболитов. Эксперимент заключается в следующем: маркируется питательное вещество, которым питаются клетки, например глюкоза или аминокислоты, стабильным изотопом. Стабильные изотопы, такие как углерод-13, не радиоактивны и не представляют никакой опасности для организмов или людей, которые работают с образцами. Протон измеряется с помощью ЯМР намного быстрее и чувствительнее, чем углерод, и таким образом можно изучать потоки и динамику трансформации этих питательных веществ внутри клетки. До сих пор эффективность этого нового метода была подтверждена с использованием раковых клеток человека, но он напрямую применим к любой биологической модели.
Понимание причин некоторых болезней
Диабет, например, представляет собой метаболический синдром, при котором процесс начинается задолго до повышения уровня глюкозы в крови, поскольку организм использует различные механизмы для обеспечения того, чтобы концентрация этого питательного вещества оставалась стабильной. А высокий уровень глюкозы в крови наблюдается только тогда, когда болезнь находится на поздней стадии. Методика, о которой только что сообщалось, описывает новый способ изучения механизмов, из-за которых некоторые ткани в организме (например, клетки печени или поджелудочной железы) не могут регулировать уровень глюкозы или становятся нечувствительными к ней. Иными словами, изучение метаболических потоков помогает нам понять причины, по которым развивается болезнь, и механизм, посредством которого это происходит. Таким образом, это также помогает в процессе диагностики. Короче говоря, это методология с большим потенциалом, которую практикующие врачи и молекулярные биологи смогут использовать для более глубокого понимания некоторых заболеваний. Новый метод, в отличие от более традиционных методов, не использует радиоактивность для изучения метаболизма.
В статье, которая была опубликована в научном журнале Angewandte Chemie, показаны результаты этой работы на раковых клетках, но исследователи уверены, что глюкоза, аминокислоты и жиры, меченные стабильными изотопами, могут быть найдены и в других клетках и даже животных. Тот факт, что они не радиоактивны, значительно упрощает работу с ними, поскольку нет необходимости в специальных лабораторных условиях.
В своей работе исследователи использовали ЯМР совершенно иначе, чем традиционно его использовали для изучения метаболизма. Мария Винайша, исследователь из отдела электронной инженерии URV, в настоящее время проводящая исследования в Манчестерском университете, и Оскар Янес, исследователь из того же отдела URV и координатор метаболической платформы Испанского центра биомедицинских исследований диабета и связанных с ним заболеваний. Метаболические расстройства (CIBERDEM) объясняют, что с помощью этой методологии «мы в полной мере используем возможности ядерного магнитного резонанса с точки зрения его чувствительности и охвата метаболизма», и они считают, что «трудно продвинуться дальше». Теперь ограничением является сам резонанс.