Вы когда-нибудь задумывались, как ваше тело превращает пищу в топливо?

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, представлен новый метод изучения метаболизма, который заключается в анализе конкретных атомов углерода в аминокислотах - строительных блоках белков. Изучая изотопы, содержащиеся в этих аминокислотах, исследователи смогли обнаружить уникальные "отпечатки пальцев" метаболизма у разных видов. Этот инновационный подход позволяет более детально понять, как различные организмы справляются с задачами выживания, роста и размножения. Соотношение тяжелых и легких изотопов в биологических молекулах, таких как белки, позволяет получить ценные сведения о метаболических процессах, протекающих в организмах, которые их производят. Эти исследования открывают новые возможности для беспрецедентно детального изучения метаболизма.

В прошлом ученые традиционно анализировали общее соотношение изотопов целых белков, чтобы получить информацию о рационе животного. Однако такой подход давал ограниченное количество деталей, поскольку усреднял всю сложную информацию до одного светового пикселя, похожего на упрощенное телевизионное изображение. Осознав это ограничение, более поздние исследования стали ориентироваться на измерение изотопов в каждой из 20 отдельных аминокислот, входящих в состав белков. Такой подход позволил лучше понять суть проблемы, поскольку давал 20 световых точек, но в нем все еще не хватало нюансов.

Чтобы преодолеть эти ограничения, был разработан новый метод. Измеряя изотопы в определенном атоме углерода каждой аминокислоты, исследователи смогли получить очень подробную информацию о метаболизме, подобно тому, как можно увидеть каждый пиксель телевизионного изображения. Для этого использовался химический реактив нингидрин, позволяющий избирательно удалять и выделять нужный атом углерода из карбоксильной группы аминокислоты. Затем эти выделенные атомы углерода анализировались с помощью масс-спектрометра для считывания их изотопных отпечатков.

Этот исследовательский проект, начатый более десяти лет назад, был совместным проектом Университета Гриффита и Квинслендского университета здравоохранения. В 2018 году в сотрудничестве с коллегами из Японии исследователи успешно продемонстрировали эффективность использования нингидрина для выделения нужных атомов углерода из аминокислот. На следующем этапе нингидриновый метод был объединен с высокоэффективной жидкостной хроматографией, позволяющей разделять различные типы аминокислот. К 2019 году группа исследователей представила результаты позиционно-специфического изотопного анализа для целого ряда млекопитающих и смогла выявить отличительные метаболические "отпечатки пальцев" для каждого изучаемого млекопитающего. Это позволило получить более полное представление о метаболизме организма с беспрецедентным уровнем детализации.

В недавнем исследовании мы расширили круг изучаемых животных, включив в него устриц, морских гребешков, креветок, кальмаров и рыб. Проанализировав структуру изотопов в аминокислотах, мы смогли проследить ее до биохимии митохондрий - клеточных центров, отвечающих за выработку энергии во всех животных, растениях и многих других организмах. В ходе исследования мы выявили четыре различные фазы метаболизма: синтез жира, расщепление жира, синтез белка и расщепление белка. Эти фазы сочетаются у животных уникальным образом для обеспечения роста и размножения.

Например, взрослые млекопитающие используют накопленные жиры для регуляции температуры тела, а взрослые креветки превращают собственные белки в жиры, необходимые для репродуктивных процессов. Интересно, что анализ человека показал сбалансированное и стабильное состояние метаболизма, что соответствует обычному постоянному и полноценному рациону питания. Примечательно, что этот метаболический профиль имеет сходство с изученными нами образцами устриц.

Помимо изучения людей с нормальным метаболизмом, в будущем мы можем исследовать группы с аномальными метаболическими состояниями, такими как рак, ожирение и голодание. Углубляясь в изучение изотопов аминокислот, мы рассчитываем получить беспрецедентное представление о метаболизме эукариот, охватывающем животных, растения и грибы.