Echtzeitanalyse von Stoffwechselprodukten | 2020

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

Die Analyse aller Metaboliten auf einmal ist nicht besonders einfach, da Metaboliten eine sehr unterschiedliche Klasse von biologischen Substanzen sind. "Zu dieser Gruppe gehören verschiedene Zucker, Fette, Botenstoffe und Aminosäuren - also völlig unterschiedliche Moleküle. Ihre einzige Ähnlichkeit besteht darin, dass sie klein sind, zumindest im Vergleich zu Proteinen und RNA-Molekülen, die in Zellen im Massenmaßstab vorkommen." erklärt Sauer.

Metabolomics mit hohem Durchsatz

Lange Zeit war die gleichzeitige Messung von Hunderten von Metaboliten in einer Flüssigkeit - zum Beispiel Urin oder Blut - oder in Zellen sehr zeitaufwändig. Die meisten Biologen verwendeten Methoden, bei denen das Substanzgemisch zuerst durch Chromatographie getrennt wurde und dann die getrennten Bestandteile in einem Massenspektrometer identifiziert wurden.

Vor einigen Jahren haben Sauer, Zamboni und ihre Kollegen eine Methode entwickelt, die eine chromatographische Trennung überflüssig macht. "Wir können jetzt eine Probe direkt in einem Massenspektrometer analysieren und mithilfe einer von uns entwickelten Software Informationen über die Inhaltsstoffe aus einer großen Datenmenge herausfiltern", sagt Sauer. Die Identifizierung von 300 bis 800 verschiedenen Metaboliten in einer Probe dauert nur eine Minute, was bedeutet, dass die Analyse von Tausenden von Proben an einem Tag - früher nur ein Traum - nun Realität geworden ist.

Automatisierte dynamische Messungen

"Der Erfolg dieser Hochdurchsatz-Messmethode brachte uns auf die Idee der Echtzeitmessung", sagt Sauer. Dies ist hilfreich, da der Stoffwechsel sehr schnell auf Reizänderungen reagiert: "Wenn Sie beispielsweise eine Pflanze im Dunkeln beleuchten, ändern sich die Konzentrationen ihrer Metaboliten in wenigen Sekunden." Der genaue Zeitpunkt einer Konzentrationsänderung als Reaktion auf neue Reize ist eine wichtige und aussagekräftige Information in der Biologie.

Die ETH-Wissenschaftler setzten ihre Idee der Echtzeitmessung um, indem sie verschiedene Zellen in einer Kultur verwendeten: zwei Bakterienarten, eine Hefeart und Mäusezellen. Die Forscher ließen die Zellen in einem Wachstumsmedium direkt neben einem Messgerät wachsen. Ein automatisches Pumpensystem extrahierte alle 10 Sekunden eine winzige Menge aus der Zellkultur, um sie im Instrument zu analysieren.

Bakterien in Bereitschaft

Den Forschern gelang nicht nur der Nachweis, dass solche Online-Messungen prinzipiell mit allen Arten von Zellkulturen möglich sind; Dank ihrer Technologie erhielten sie auch neue Erkenntnisse darüber, wie E. coli-Bakterien von einem Bereitschaftsmodus in eine Wachstumsphase übergehen. Sie lassen die Bakterien zwei Stunden verhungern, indem sie ohne Zucker im Wachstumsmedium belassen werden. Infolgedessen wechseln die Bakterien in das Bereitschaftsprogramm, indem sie die Produktion der meisten Metaboliten einstellen und die vorhandenen abbauen, um Energie für das Überleben zu gewinnen. Nach dieser Hungerphase versorgten die Wissenschaftler die Bakterien erneut mit Zucker. Innerhalb einer Minute nahmen die Zellen die Produktion von Metaboliten wieder auf, um zu wachsen und sich zu teilen.

Die Wissenschaftler waren jedoch verblüfft über das Verhalten von 10 der fast 300 untersuchten Metaboliten, die sich anders verhielten als die Mehrheit: Ihre Konzentration stieg während der Hungerphase an und nahm während der optimalen Versorgungsphase ab. Die Forscher glauben, dass dies Schlüsselmetaboliten sind, die den extrem schnellen Wechsel des Gesamtmetabolismus zwischen den beiden Phasen beeinflussen. Diese 10 Metaboliten sind acht spezifische Aminosäuren - die Bausteine ​​von Proteinen - und zwei Moleküle, aus denen die Zellen DNA- und RNA-Bausteine ​​produzieren. Und eines haben sie gemeinsam: Die Zellen müssen viel Energie aufwenden, um sie zu produzieren. "Wir gehen davon aus, dass die Zellen solche wertvollen Bausteine ​​während der Hungerphase nicht abbauen, sondern speichern, um die bestmöglichen Startbedingungen für die nachfolgende Wachstumsphase zu haben", sagt Sauer.

Anhand eines systembiologischen Computermodells konnten die Wissenschaftler zeigen, wie die Regulation funktioniert: Die 10 während der Hungerphase gespeicherten Metaboliten verhindern, dass die Zellen zu Beginn der Wachstumsphase durch einen Rückkopplungsmechanismus mehr davon produzieren. Infolgedessen verschwenden die Zellen beim teuren Aufbau der 10 Metaboliten keine Energie, sondern investieren ihre Ressourcen vollständig in die Synthese der anderen Moleküle.

Hilft bei der Entwicklung von Medikamenten

Derzeit macht Sauer die neue Echtzeitmethode der Wissenschaft bekannt. "Es ist eine sehr nützliche Methode, um einen ersten Überblick darüber zu erhalten, wie Zellen auf einen externen Stimulus reagieren. Dadurch ist sie für die Analyse aller Stoffwechselvorgänge geeignet, die über einen Zeitraum von einer halben Stunde bis zu mehreren Stunden stattfinden." sagt. Mögliche Anwendungen sieht er nicht nur in der biologischen Grundlagenforschung, sondern beispielsweise auch im Screening potenzieller neuer Arzneimittel. Auf diese Weise könnte herausgefunden werden, wie ein Medikament den Stoffwechsel verändert - eine Methode, die Sauers Gruppe jetzt für solche Untersuchungen anwendet.