Метаболомика для «чайников»
Стремительное развитие направления, занимающегося изучением сложных взаимодействий, трансформирует биологию и биомедицинские исследования.
Целая линейка мощных аналитических методов, известных как «-омики», уводит нас от упрощенческих подходов к более системному пониманию проблем биологии и медицины.
До недавнего времени технические возможности позволяли ученым изучать только небольшую часть компонентов биологических систем. «-омики» (в том числе геномика, протеомика, метаболомика), напротив, предоставляют возможность взглянуть на более подробную картину для того, чтобы дать определение биологической системе.
Один из этих методов – метаболомика – предназначен для определения химического профиля клеточного метаболизма в беспрецедентном разрешении. Знание этого профиля обеспечивает глубокое проникновение в динамические процессы, протекающие в любых биологических образцах.
Каждый процесс, протекающий в клетках живых организмов, требует энергии. Эта энергия высвобождается из питательных веществ и тратится на синтез новых, механическую работу, процессы терморегуляции и т.д. в процессах метаболизма. Биохимия часто подразумевает расшифровку метаболических путей, по которым питательные вещества и энергия перемещаются в клетках организма.
Традиционно такой анализ осуществляли путем измерения активности отдельных ферментов или уровней отдельных химических соединений (метаболитов) в биологическом образце. Данный подход обеспечил ряд наиболее серьезных достижений в биологии, однако он требует очень больших временных затрат и имеет свои ограничения.
Метаболомика, напротив, позволяет нам одновременно измерять уровни сотен или тысяч химических соединений, что обеспечивает получение гораздо более подробной картины обмена веществ. Этот потенциал и универсальность открывают перед метаболомикой широкий спектр возможных областей применения.
Как это работает?
Метаболомика стала реальностью благодаря двум технологическим приемам. Сначала из образца клеток, ткани, продукта питания, мочи, экстракта микроорганизмов или чего угодно другого выделяется сложная смесь небольших химических соединений (метаболитов). Следующий этап, известный как хроматография, разделяет смесь на более простые компоненты.
Каждый метаболит в смеси состоит из уникальной комбинации химических элементов, обеспечивающих характерную для него молекулярную массу.
После этого для идентификации этих соединений и изменения их активности используют невероятно чувствительный прибор, известный как масс-спектрометр. Современные масс-спектрометры позволяют измерять массу очень небольших количеств метаболитов с точностью до массы одного атома водорода.
Вы можете представить себе, насколько это точно, с помощью разработанной в Университете штата Юта интерактивной биологической шкалы. Ближе к концу шкалы вы можете найти метаболиты глюкозу и метионин и на самом ее конце – атом углерода.
В последнее время метаболомика широко используется в разных областях исследований. Этот рост популярности обеспечен повышением чувствительности и скорости проведения масс-спектрометрического анализа.
Не менее важны и серьезные достижения в области обработки данных и инструментов анализа, необходимых для анализа огромных объемов получаемых данных. Появление специализированной области, получившей название биоинформатика, позволяет нам при обработке результатов не ограничиваться обоснованным предположением. Инновации в области вычислений способствуют интеграции «-омик», математики, статистики, теории систем и биологии. Биоинформатика действительно расширила наши возможности в понимании того, что происходит внутри клетки, в том числе того, как гены и их продукты транслируются в функциональный эффект.
Откуда такая суета?
В медицине метаболомика используется для идентификации новых диагностических маркеров заболеваний, таких как рак и диабет. Одновременно мы узнаем новые захватывающие подробности о развитии и прогрессе заболеваний, механизмах действия лекарственных препаратов, а также выявляем новые мишени для потенциальных методов терапии.
Например, в рамках этого исследования метаболомика использовалась для анализа мочи с целью определения различных стадий рака предстательной железы. Исследователи измерили количество 1 125 метаболитов в 262 клинических образцах. Эти цифры дают представление об обеспечиваемом уровне детализации.
В нашей лаборатории в онкологическом центре Кингхорн мы комбинируем метаболомику с геномикой (картирование мутаций генов) в рамках так называемого «метода решения в лоб», применяемого для того, чтобы лучше разобраться в механизмах рака поджелудочной железы. Для этого тяжелого, часто – неизлечимого заболевания, существует очень мало вариантов лечения.
Мы установили, что опухоли поджелудочной железы репрограммируют свой обмен веществ таким образом, чтобы обеспечить возможность быстрого деления и роста клеток. Наши данные полученные с помощью метаболомики свидетельствуют о том, что эти механизмы являются своего рода «ахиллесовой пятой» опухолевых клеток, которую мы надеемся использовать для разработки новых методов лечения.
Метаболомика также способна помочь разобраться в эффектах, оказываемых окружающей средой, пестицидами и загрязнителями. Например, под действием содержащихся в сточных водах гормональных контрацептивов и противовоспалительных препаратов самцы некоторых видов рыб могут трансформироваться в самок и даже метать икру.
Метаболомика также используется для контроля качества в производстве продуктов питания. Она даже позволяет определять как содержание питательных веществ изменяется в процессе производства продуктов питания, например, переработки крупки (промежуточного продукта перемалывания зерна) в макаронные изделия из непросеянной или очищенной муки. Есть также огромные надежды на применение метаболомики для выявления незаконного использования гормонов и других препаратов при выращивании скота и в качестве допинга для спортсменов.
Одним из наиболее интригующих направлений применения метаболомики является изучение сложной природы вида. Огромные усилия прилагаются к тому, чтобы разобраться во взаимодействии почвы, климата, дрожжей и бактерий в ферментации. Даже дуб, из которого изготовляются винные бочки, оказывает определенное влияние на химические соединения, входящие в состав виноградного сока, что придает вину характерные для него цвет и аромат.
В реальной жизни – сегодня и завтра
При изучении заболеваний выявляемые изменения в метаболизме ложатся в основу новых идей о том, на какие молекулярные процессы можно воздействовать с помощью препаратов. Их также можно использовать для выявления новых методов идентификации или классификации заболеваний в более специфичные подгруппы.
Подобные открытия имеют такие далеко идущие последствия, как появление новых мишеней для лечения рака, методов диагностики при диабете, сыра с лучшими вкусовыми качествами, более воспроизводимых партий пива, более устойчивых сортов сельскохозяйственных растений, диагностических тестов для выявления вызывающих атрофию мышц заболеваний или старения и многого другого.
Еще одной областью, в которой данная технология может сыграть важную роль, является выявление загрязнителей в продуктах питания (для подтверждения заявлений об органичности продуктов или отсутствии в них гормонов), а также применения запрещенных добавок при выращивании скота или подготовке спортсменов.
Преимущества метаболомики, заключающиеся в возможности выявления не только непосредственно молекул препарата, но и продуктов его метаболизма в различных биологических жидкостях организма, дают надежду на возможность более точного скрининга.
Метаболомика помогает нам разобраться в том, как биологическая функция взаимосвязана с изменениями в геноме. Данный подход, при объединении усилий с остальными «-омиками» для поиска взаимосвязей между генетическими вариациями и видимыми проявлениями, открывает перед нами более детальную картину.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Conversation (D.Saunders, R-A.Hardie:
"Metabolomics: wine and cheese, curing disease … no doping please").
12.11.2013