Анализ всех метаболитов за один раз не особенно прост, поскольку метаболиты представляют собой очень разнообразный класс биологических веществ. «К этой группе принадлежат различные сахара, жиры, вещества-мессенджеры и аминокислоты — таким образом, совершенно разные молекулы. Их единственное сходство состоит в том, что они маленькие, по крайней мере, по сравнению с белками и молекулами РНК, которые массово встречаются в клетках», объясняет Зауэр.
Метаболомика с высокой пропускной способностьюДолгое время одновременное измерение сотен метаболитов в жидкости — например, в моче или крови — или в клетках занимало очень много времени. Большинство биологов использовали методы, в которых смесь веществ сначала разделялась хроматографией, а затем разделенные ингредиенты идентифицировались с помощью масс-спектрометра.
Несколько лет назад Зауэр, Замбони и их коллеги разработали метод, исключающий необходимость хроматографического разделения. «Теперь мы можем анализировать образец непосредственно в масс-спектрометре и отфильтровывать информацию об ингредиентах из огромного количества данных с помощью программного обеспечения, которое мы разработали», — говорит Зауэр. Идентификация от 300 до 800 различных метаболитов в образце занимает всего минуту, а это означает, что анализ тысяч образцов за один день — раньше это было только мечтой — теперь стал реальностью.
Автоматические динамические измерения«Успех этого высокопроизводительного метода измерения привел нас к идее измерений в реальном времени», — говорит Зауэр. Это полезно, потому что метаболизм очень быстро реагирует на изменения раздражителя: «Если, например, вы осветите растение в темноте, концентрация его метаболитов изменится всего за несколько секунд». Точное время изменения концентрации в ответ на новые стимулы — важная и значимая информация в биологии.Ученые ETH реализовали свою идею измерения в реальном времени, используя разные клетки в культуре: два вида бактерий, вид дрожжей и клетки мышей.
Исследователи позволили клеткам расти в среде роста непосредственно рядом с измерительным прибором. Автоматическая насосная система каждые 10 секунд извлекала небольшое количество из клеточной культуры для анализа в приборе.
Бактерии в режиме ожиданияИсследователям не только удалось доказать, что в принципе такие онлайн-измерения возможны на всех типах культур клеток; благодаря своей технологии они также получили новое представление о том, как бактерии E. coli переходят из «режима ожидания» в фазу роста. Они позволяют бактериям голодать в течение двух часов, сохраняя их в питательной среде без сахара.
Как следствие, бактерии переключаются на «резервную» программу, останавливая производство большинства метаболитов и разрушая существующие, чтобы получить энергию для выживания. После этой фазы голодания ученые снова снабдили бактерии сахаром. В течение одной минуты клетки возобновили производство метаболитов, чтобы расти и делиться.Однако ученые были сбиты с толку поведением 10 из почти 300 изученных метаболитов, которые вели себя иначе, чем большинство: их концентрация увеличивалась во время фазы голодания и снижалась во время фазы оптимального питания.
Исследователи считают, что это ключевые метаболиты, которые влияют на чрезвычайно быстрое переключение общего метаболизма между двумя фазами. Эти 10 метаболитов представляют собой восемь определенных аминокислот — строительных блоков белков — и две молекулы, из которых клетки производят строительные блоки ДНК и РНК. И у них есть одна общая черта: клеткам приходится тратить большое количество энергии на их производство. «Мы предполагаем, что клетки не разрушают такие ценные строительные блоки во время фазы голодания, а вместо этого сохраняют их, чтобы иметь наилучшие возможные стартовые условия для последующей фазы роста», — говорит Зауэр.
Используя системную биологическую компьютерную модель, ученые смогли показать, как работает регулирование: 10 метаболитов, сохраненных во время фазы голодания, не позволяют клеткам производить их большее количество в начале фазы роста с помощью механизма обратной связи. В результате клетки не тратят энергию на дорогостоящее построение 10 метаболитов, а полностью вкладывают свои ресурсы в синтез других молекул.Помогает в разработке лекарств
В настоящее время Зауэр знакомит научное сообщество с новым методом в реальном времени. «Это очень полезный метод, позволяющий получить первое представление о том, как клетки реагируют на внешний раздражитель. Это делает его подходящим для анализа всех метаболических процессов, которые происходят в течение периода времени от получаса до нескольких часов», говорит.
Он видит возможные применения не только в фундаментальных биологических исследованиях, но также, например, в скрининге потенциальных новых фармацевтических агентов. Это позволило бы обнаружить, как лекарство влияет на метаболизм — метод, который группа Зауэра сейчас использует для таких исследований.