Ученые из японского исследовательского центра RIKEN разработали систему для выявления и биологической интерпретации неизвестных биологических молекул, содержащихся в экстрактах растений. Подход основан на создании библиотеки масс-спектрометрических данных и ее последующем системном анализе. Этот метод позволит подробно описать метаболомику растений, найти новые лекарства, изучить сложные процессы в генетически модифицированных растениях. Предложенный аналитический принцип может быть адаптирован для работы с различными многокомпонентными органическими системами.

Современные ученые уделяют большое внимание анализу сложных систем, компоненты которых представляют интерес в медицине и биологии. Важные цели таких исследований – выявление и описание новых, ранее неизвестных химических веществ и определение их биологических функций. Одним центральных из подходов в области разработки лекарств является изучение состава и биологической активности компонентов растительных экстрактов. Ведь огромное разнообразие химических веществ в растениях является превосходным природным источником лекарств, пряностей, а так же сильных ядов, которые могут быть использованы в биотехнологии.

Разработанный японскими учеными подход позволяет получать информацию о структуре природных химических веществ, описывать их метаболические пути (составлять карты стадий синтеза и метаболизирования вещества в растении, вплоть до соотнесения с соответствующими генами), и изучать возможные мутации. С помощью этого метода легко картировать тканеспецифичность веществ – то есть определять, в каких частях растения следует искать конкретные вещества.

Выполнение аналитических задач с помощью нового метода проходит следующим образом: сначала экстракты растения, выделенные из различных его тканей и содержащие сотни видов биологических молекул, проходят разделение на индивидуальные химические компоненты с помощью жидкостной хроматографии с масс-спектрометрической детекцией. Тандемная масс-спектрометрия позволяет получить уникальные спектры каждого компонента системы в результате фрагментации веществ, при этом каждый спектр содержит информацию о структурных особенностях исходных молекул. Далее, каждому спектру индивидуального компонента системы присваивается свой уникальный код, и экстракт приобретает вид библиотеки таких кодов.

Классический модельный растительный объект -
Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля, Арабидопсис)
использовался учеными для выявления неизвестных
биологических молекул с последующим определением
их роли в организме растения.

Для разработки метода ученые воспользовались классическим модельным растительным объектом – Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля, Арабидопсис) – это небольшое растение семейства крестоцветных имеет самый маленький геном среди цветковых растений, оно хорошо изучено и выполняет для биологов ту же роль, что и лабораторная мышь или плодовая мушка Дрозофила. Ученые выявили около 1000 различных соединений, для половины из которых была получена отчетливая фрагментация и создана библиотека. Для 95 веществ из этой библиотеки удалось расшифровать структуру и получить некоторую информацию об их биологических функциях. Построение библиотеки и обработка информации на ее основе проводились без дополнительных экспериментов, с использованием возможностей специально разработанного программного обеспечения.

На основании полученной информации о структурах и спектрах из библиотеки экстракта были построены схемы возможных путей метаболизма веществ. Ученые также исследовали распределение 44 веществ в различных тканях растения. Некоторые вещества, как оказалось, являются строго тканеспецифичными, а для некоторых удалось даже отыскать гены, отвечающие за их синтез. Направленное введение мутаций в эти гены и последующее выявление различий в химическом составе экстрактов подтвердило действенность метода.

Доказав высокую производительность разработанного метода, ученые получили многогранные возможности изучения химического состава растений и уже приступили к созданию библиотек биологических молекул риса, пшеницы, сои и томатов.

Возможности нового аналитического подхода открывают перспективы изучения разнообразных многокомпонентных органических систем, таких как ткани животных (при определении метаболитов лекарственных препаратов), человека (допинг-контроль), нефти и пищевых продуктов.

Мария Костюкова