سيرجي أوسيبينكو ، سكولتيك - على المستقلبات وطريقة الدم الجاف وفحص الأطفال

يرأس مختبر قياس الطيف الكتلي في Skoltech عضو مناظر في الأكاديمية الروسية للعلوم

يفجيني نيكولاييف.قام فريق من العلماء، بما في ذلك الأستاذ المساعد يوري كوستيوكيفيتش والمتحدث سيرجي أوسيبينكو، بحل العديد من المشكلات التطبيقية المختلفة: بدءًا من تطوير أجهزة جديدة وحتى علم الآثار الجزيئي. أحد أنشطة المختبر هو دراسة الجزيئات الصغيرة، أو المستقلبات.

ما يكمن في صميم بناء عمليات الحياة

الحمض النووي عبارة عن سلسلة بوليمر طويلة تخزن معلومات حول كيف يجب أن يبدو الجسم ويعمل.وهذا هو، كيف نختلف عن الأنواع الأخرىوكيف يختلف فردان من نفس النوع عن بعضهما البعض. تحدد هذه الجزيئات تفردنا. دعوني أعطيكم مثالاً: اليرقة والفراشة التي تنمو فيها. هل تعتقد أن جزيئات الحمض النووي مختلفة أم متشابهة؟ في الواقع، الجواب الصحيح هو: نفس الشيء. لا تتغير المعلومات الوراثية بأي شكل من الأشكال خلال الحياة. في الواقع، لماذا تختلف اليرقات والفراشات في النهاية؟ لأنه لا يتم تحقيق جميع المعلومات المخزنة في الحمض النووي في نفس الوقت. يحدث التنفيذ من خلال عملية النسخ، ونتيجة لذلك، بعد قراءة الجينات الفردية، يسمح messenger RNA بتخليق البروتينات.

البروتينات هي آلات جزيئية عالمية في أجسامنا تؤدي وظائف مختلفة: من البناء إلى التنظيم.أحد التعريفات القديمة للحياة هوالوجود المنظم والتفاعل بين جزيئات البروتين. لكن المشكلة هي أن جزيئات البروتين كبيرة أيضًا. البروتينات هي أيضًا جزيئات بوليمر ذات وزن جزيئي كبير: عادة من 10 إلى عدة مئات من الكيلو دالتون. وبناء العمليات الحيوية الأساسية عليها يمثل مشكلة كبيرة، لأنها حساسة للغاية للتغيرات في درجات الحرارة والبيئة الخارجية. وربما هذا هو السبب وراء تحقيق جميع العمليات الحيوية في الخلية تقريبًا من خلال جزيئات صغيرة. وتحويل الجزيئات الصغيرة إلى بعضها البعض يتم التحكم فيه بالفعل بواسطة البروتينات. يتراوح الوزن الجزيئي لهذه الجزيئات الصغيرة من عدة عشرات إلى عدة مئات من الكيلودالتون. تسمى جميع الجزيئات الصغيرة الموجودة في الكائن الحي بالأيضات.

1 دالتون ، أو وحدة كتلة ذرية (amu)- وحدة كتلة خارج النظام تستخدم لكتل ​​الجزيئات والذرات والنوى الذرية والجسيمات الأولية.

1 أ. الوحدات = 1.660 539066 60 (50) ⋅10−27 كجم.

المستقلبات الأولية هي مواد كيميائية توجد في جميع خلايا الجسم وهي ضرورية للحفاظ على العمليات الحيوية.جميع جزيئات البوليمر والبروتينات واحماض نووية. هذه المستقلبات هي نفسها بالنسبة لجميع خلايا كائن حي واحد. خلال الحياة، يتم تحويل المستقلبات إلى بعضها البعض، على سبيل المثال، لغرض نقل الطاقة. وتسمى مسارات التحول هذه - سلاسل التحول - بالمسارات الأيضية.

دورة كريبس ، أو دورة حمض الكربوكسيل ، هي المسؤولة عن عملية التنفس الخلوي.

تتقاطع مسارات التمثيل الغذائي المختلفة في جسم الإنسان ، أي أن لديهم مشاركين مشتركين.وبالتالي، فإن جميع العمليات التي تحدث مع المستقلبات مترابطة.

المستقلبات الثانوية هي مواد ليست ضرورية لجميع الخلايا لضمان وظائفها الحيوية.وعادة ما تستخدم للتكيف مع الظروفبيئة خارجية. على سبيل المثال، تنتج نباتات القهوة مادة الكافيين لحماية أوراقها من الآفات. وهي سامة للخنافس التي تأكل أوراق نباتات القهوة. ولكن إذا قمنا بطريقة ما بإزالة كل الكافيين من النبات، فسوف يستمر في العيش. لن يتم تعطيل أي عمليات حيوية. والمثال الثاني هو المضادات الحيوية. هل تعلم أن البنسلين هو أول مضاد حيوي، وقد تم عزله بالصدفة تماما من العفن، وهو ما أحدث ثورة في الطب. يستخدم العفن البنسلين لإخلاء مساحة معيشته. وهو غير ضار للكائن الأصلي، ولكنه سام للكائنات الحية الدقيقة الأخرى. في الواقع، يستخدم الناس هذه الخاصية لعلاج الالتهابات البكتيرية المختلفة. نظرًا لحقيقة أن البشر يستهلكون النباتات بنشاط كغذاء، فإن أجسامنا مكتظة بالكائنات الحية الدقيقة المختلفة التي تشكل النباتات الدقيقة. هذه المواد هي مستقلبات ثانوية ليس فقط للشخص نفسه، ولكن أيضًا للكائنات الحية التي تدخل جسمنا حتماً.

الفلتر الطبيعي وسبب خطأه

Xenometabolites هي مضادات حيوية ، مركبات لا ترتبط بنشاط الكائنات الحية.عادة ما يكون هذا شيئًا حصل عليه الشخصبشكل مصطنع لأغراض مختلفة. على سبيل المثال، الأدوية، والمضافات الغذائية، والمكملات الغذائية، والمنشطات، والأدوية، ومنتجات احتراق التبغ، والكحول أو منتجات النظافة، والمواد الكيميائية المنزلية، والمواد السامة البيئية. وهي أيضًا جزيئات صغيرة، وتدخل الجسم عن قصد، في حالة المخدرات، وعن غير قصد. على سبيل المثال، قمت بتنظيف أسنانك، وابتلعت معجون الأسنان - وهكذا دخلت مواد كيميائية جديدة إلى نظامك. والعديد من هذه المواد يمكن أن يكون لها تأثيرات معينة على أجسامنا، حتى بتركيزات صغيرة جدًا. علاوة على ذلك، فإن هذا التأثير يمكن أن يكون إيجابيا أو سلبيا أو يختلف تبعا لكمية هذه المادة.

الكبد هو الحاجز الأول لدخول المواد الكيميائية الأجنبية إلى الدورة الدموية الجهازية.يحاول تصفية الجزيئات التيسوف يتضرر الجسم ويزيلها، مما يمنع إطلاقها عبر مجرى الدم إلى الأعضاء. يمتلك الكبد العديد من آليات الترشيح، ولكن لا أحد منها يعمل بنسبة 100%: وإلا فلن يكون هناك تسمم أو عواقب وخيمة لتناول أي سموم أو أدوية. ومع ذلك، يستفيد الكبد من حقيقة أن جسمنا يتكون إلى حد كبير من الماء، أي أنه يتكون من 80 بالمائة من الماء. ولذلك يحاول الكبد فرز الجزيئات إلى جزيئات محبة للماء تذوب في الماء، وأخرى كارهة للماء. "يعتقد" الكبد أنه إذا كانت المادة محبة للماء، فيمكن إطلاقها بشكل أكبر في الدورة الدموية الجهازية، لأنها لا ينبغي أن تسبب ضررًا خاصًا. وإذا كانت المادة كارهة للماء، فيجب فعل شيء ما بها لمنع إطلاقها أكثر أو على الأقل لجعلها أكثر محبة للماء.

للكبد آليتان - المراحل الأيضية.في المرحلة الأولى، يحاول الكبد القيام بذلكتعمل البروتينات والإنزيمات الخاصة من عائلة السيتوكروم P450 على أكسدة هذه المواد. نتيجة للأكسدة، يتغير هيكل الجزيء ويمكن أن يصبح أكثر محبة للماء. يمكن للكبد بعد ذلك إطلاق هذه المستقلبات في مجرى الدم أو محاولة إزالتها عن طريق الكلى عن طريق البول أو عن طريق الأمعاء. إذا لم ينجح ذلك، يمكن للكبد أن "يخيط" جزيئات جاهزة ومضمونة قابلة للذوبان في الماء على هذه الجزيئات المؤكسدة.

يزيد التمثيل الغذائي الكبدي من تنوع الجزيئات الصغيرة التي يمكن أن تنتهي في أجسامنا.على سبيل المثال ، في مرحلة الأكسدة ، يتشكل نظريًا أكثر من 500 جزيء جديد مختلف من جزيء واحد ؛ لا يمكن التنبؤ بأي منها يتشكل وأيها غير متشكل.

الأبجدية اللانهائية: لماذا يصعب دراسة المستقلبات

يمكن تمثيل الأحماض النووية كأبجدية مكونة من خمسة أحرف يتم من خلالها إنشاء سلسلة نصية كبيرة.نعم بالطبع تسلسل الحروف في هذايمكن أن يكون الخط فوضويًا نسبيًا، على الرغم من أن الحمض النووي لا يتغير أثناء الحياة، ولكن يتم نسخه ببساطة. لذلك لدينا قيود معينة على ماهية هذه السلسلة. في حالة البروتينات، يكون الوضع أكثر تعقيدا إلى حد ما: سيكون هناك بالفعل 20 حرفا في الأبجدية، أي 20 من الأحماض الأمينية التي يتم بناء البروتينات منها، ولكن هذا يحدث أيضا بشكل لا إرادي. ولذلك، من وجهة نظر الباحث، فإن هذه الأشياء متشابهة تمامًا مع بعضها البعض. وفي حالة المستقلبات، فإن تخصيص أي أبجدية يمثل مشكلة كبيرة: في الواقع، هذا هو الجدول الدوري بأكمله. ومن بين قواعد التكوين - فقط قاعدة التكافؤ. بالإضافة إلى ذلك، هناك خاصية في كيمياء الكربون تسمح لذرتي الكربون بالارتباط مع بعضهما البعض ومن ثم إضافة عدد غير محدود من ذرات الكربون أو ذرات أخرى من الجدول الدوري، مما يؤدي إلى تنوع كيميائي هائل لمثل هذه الجزيئات.

لدراسة هذه الجزيئات الصغيرة وجميع تنوعها ، هناك حاجة إلى طرق خاصة.هناك أشياء بسيطة:على سبيل المثال، التحليل الحسي، الذي واجهه كل من أجرى اختبار دم أو بول عام ورأى أن هناك خط "رائحة، لون" في الاتجاه. عندما يكون من الضروري العثور على جزيء معين في المحلول، تتم إضافة قطرة من الكاشف المحدد مسبقًا. إذا كان هناك جزيء في المحلول، سيحدث التلوين، وإذا لم يكن كذلك، فسوف يظهر راسب فقط. ومن بين الطرق البسيطة أيضًا التحليل الطيفي البصري، حيث يمكنك استخدام المجهر لاستخلاص استنتاجات من بنية الرواسب. تحظى الطرق الكيميائية المناعية بشعبية كبيرة الآن: وهذا هو نفس اختبار ELISA لـCOVID-19.

دراسات Omics هي تلك الدراسات التي تدرس مجتمعًا كاملاً.وعلم الأيض يعني تحليل كبيرالبيانات التي تمثل مجموعة كاملة من الجزيئات الصغيرة في كائن حي أو خلية أو عضو. تختلف مجموعة هذه البيانات وفقًا لتقديرات مختلفة من عدة آلاف ، إذا أخذنا في الاعتبار المستقلبات الأولية فقط ، إلى عدة عشرات الآلاف ، إذا أضفنا مستقلبات ثانوية من النباتات والبكتيريا والفطريات المعروفة إليها. في الواقع ، ما يصل إلى عدة مئات من الملايين ، إذا أخذنا في الاعتبار كل التنوع الكيميائي الذي يمكن أن يدخل جسم الإنسان. ولدراستها ، هناك حاجة إلى طرق خاصة: التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) وقياس الطيف الكتلي.

على مدار 80 عامًا من تاريخ الرنين المغناطيسي النووي ، حصل العلماء المشاركون في هذه الطريقة على خمس جوائز نوبل.أربعة - للرنين المغناطيسي النووي، والخامس - لالتصوير بالرنين المغناطيسي. وهي طريقة مختلفة قليلاً عن التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، ولكنها متشابهة جدًا من حيث المبدأ. تعتمد طريقة الرنين المغناطيسي النووي على حقيقة أن بعض الذرات في الجدول الدوري لها عزم مغناطيسي غير الصفر. إنها مغناطيسات صغيرة ويمكن أن تتفاعل مع مجال مغناطيسي خارجي. يتجلى هذا التفاعل في تقسيم مستويات الطاقة. تتيح طريقة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) التمييز بين الذرات المختلفة وذرات نفس العنصر، ولكن في بيئات مختلفة. في الآونة الأخيرة، فقدت الرنين المغناطيسي النووي شعبيتها، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى ارتفاع تكلفتها.

كيفية صنع الجسيمات المشحونة من خليط معقد ومعرفة تكوينها

قياس الطيف الكتلي هو طريقة لفصل الجسيمات المشحونة عن طريق التفاعل مع المجال الكهرومغناطيسي.إذا أخذنا بعض الخليط المعقد الذي يتكون منجسيمات مشحونة مختلفة، وتقريباً يمكن تحويل أي جزيء بطرق قياس الطيف الكتلي الحديثة إلى شكل مشحون عن طريق إضافة بروتون إليه أو إزالة بروتون منه، وتطبيق مجال كهرومغناطيسي على هذا الخليط، ثم تبدأ الجسيمات في هذا المجال للتحرك وسيكون لديهم إما السرعة أو المسار حسب الكتلة. ستصل جزيئات الضوء إلى الكاشف في وقت أبكر من الجسيمات الثقيلة. بعد معالجة البيانات من الكاشف، يتم الحصول على طيف الكتلة، حيث ستكون هناك كثافة إشارة على طول المحور Y، والتي تتناسب مع عدد الأيونات، وعلى طول المحور X - الكتلة في الأيونات، أو بالأحرى، نسبة الكتلة إلى الشحنة. علاوة على ذلك، يتيح لك قياس الطيف الكتلي قياس الكتلة بدقة عالية جدًا. وهذا يعني أنه من الممكن تحديد التركيب العنصري للأيون أو الجزيئات المشحونة أو الجزيء الذي تشكل منه بشكل لا لبس فيه. رياضيًا، يُسمى هذا حل معادلة ديوفانتين بالأعداد الصحيحة: في الواقع، هذه مجموعة مختارة من المعاملات القريبة من كل ذرة: m(C)، m(H)، k(O)، z(N). ويمكن لمجموعة واحدة فقط من الأعداد الصحيحة m، n، k، z أن تعطي الكتلة المقاسة بواسطة مطياف الكتلة.

تم اقتراح طريقة قياس الطيف الكتلي في بداية القرن العشرين من قبل طومسون.قام العلماء بتجميع أول مطياف الكتلة في العالم ووبمساعدته حقق اكتشافًا عظيمًا: فقد أكد تجريبيًا وجود النظائر. ومن ناحية أخرى، لم يتمكن من إعطاء تفسير صحيح لنتائجه. لقد فعل ذلك من أجله تلميذه ويليام أستون: في عام 1922 حصل على جائزة نوبل لهذا الاكتشاف. في القرن العشرين، وبسبب سلسلة من الحروب العالمية، تطور قياس الطيف الكتلي كطريقة للجيش. في بداية تطوره، وجد تطبيقه الرئيسي في الصناعة النووية. بما أن قياس الطيف الكتلي يمكنه فصل المواد حسب الكتلة وتحديد النظائر، فيمكن استخدامه لفصل النظائر مثل اليورانيوم. تم منح جائزتي نوبل أخريين لقياس الطيف الكتلي: في عام 1989 - فولفغانغ بول وهانز ديميلت، ثم في عام 2002 - تم تنفيذ ثورة حقيقية بشكل مستقل من قبل جون فين وكايشي تاناكا. لقد اقترحوا طريقتهم الخاصة التي تتيح الحصول على جسيم مشحون من جزيء بوليمر كبير: من البروتينات أو من الأحماض النووية، دون تدميره. وهذا أعطى زخما للدراسة. الآن لا يمكن لأي مختبر - مختبر الكيمياء الحيوية أو البيولوجيا الجزيئية - أن يعمل بدون مطياف الكتلة الخاص به أو بدون مركز استخدام مشترك مجهز تجهيزًا جيدًا في المعهد.

بعد تحديد كتلة أيون ، يمكننا فقط تحديد التركيب الأولي ، ولكن ليس هيكل الجزيئات.لأن التركيب العنصري الواحد للهياكل المختلفة يمكن أن يتوافق مع عدد كبير. أي أن الذرات الموجودة في الجزيء يمكن ترتيبها بطرق مختلفة. وهذا ما يسمى ظاهرة الايزومرية.

توصل أخصائيو قياس الطيف الكتلي إلى طريقة تسمح لك بالحصول على مزيد من المعلومات حول بنية الجزيء: يتم وضع عقبة معينة في مسار الجزيئات المتسارعة.عادة ما تكون هذه جزيئات الغاز.عندما تصطدم الجزيئات بجزيئات الغاز هذه، فإنها يمكن أن تنفصل عن الاصطدام. ومن ثم يقيس مطياف الكتلة ليس كتلة الجزيء الأصلي، بل كتلة الأجزاء التي تفكك إليها. وهذا الاضمحلال لا يحدث بشكل عشوائي، بل على طول الروابط الأضعف في الجزيء. الأجزاء الناتجة متطابقة، وهي بصمات جزيئية: فريدة لكل جزيء.

الكروماتوغرافيا هي طريقة لفصل المواد بناءً على تفاعلها مع المواد الماصة.المواد الماصة هي شيء يمكن امتصاصهوغيرها من المواد الكيميائية وأبسطها الكربون المنشط الذي نتناوله عند التسمم. في بداية القرن العشرين، أثبت العالم الروسي ميخائيل تسفيت أنه إذا تم تمرير هذه الصبغة الطبيعية عبر عمود مملوء بالطباشير، فبدلاً من بقعة خضراء كبيرة ملطخة، ستحصل على عدة بقع متعددة الألوان: من الأصفر إلى الأصفر. أخضر. وهكذا أدرك أولاً أن الصبغة الخضراء المستخرجة من الأوراق عبارة عن خليط من مواد مختلفة. وثانيًا، اكتشف اللوني، الذي حصل في عام 1952 على جائزة نوبل للعلماء الآخرين الذين جلبوا طريقته إلى شكل حديث. في الكروماتوغرافيا الحديثة، يتم تمرير الخليط عبر عمود باستخدام سائل أو غاز، اعتمادًا على نوع الكروماتوغرافيا. يقوم السائل "بسحب" الجزيئات إلى الأمام باتجاه مخرج العمود، وتتداخل المادة الماصة مع كل جزيء بطرق مختلفة. وينتهي بهم الأمر بمغادرة العمود في أوقات مختلفة، والتي يمكن تسجيلها واستخدامها كبصمة أخرى لتحديد الهوية.

من فحص السائل النخاعي إلى طريقة الدم الجاف

قياس الطيف الكتلي هو الطريقة الوحيدة المتاحة حاليًا لدراسة السائل النخاعي.في بعض الحالات الصعبة للتشخيصفي الأمراض، يلزم إجراء ثقب، ويتم ثقب العمود الفقري وأخذ عينة من السائل النخاعي. لكن المشكلة تكمن في أن الشخص لديه في المتوسط ​​120 مل فقط من السائل النخاعي. وهذا السائل يتعرض للضغط، لذا فإن تناول حتى 1 مل يؤثر بشكل كبير على هذا الضغط ويمكن أن يؤدي إلى عواقب لا رجعة فيها على الجسم. لذلك، في الواقع، لا يمكن أخذ سوى عدد قليل من الميكرولتر. لا يمكن لأي من الطرق الحالية، باستثناء قياس الطيف الكتلي، التعامل مع مثل هذه الكميات الصغيرة من العينات، لأنه كلما كانت العينة أصغر، قل عدد الجزيئات التي تحتوي عليها، وكلما زادت حساسية معداتك. عادة ما تكون حساسية قياس الطيف الكتلي كافية لهذا الغرض. بعد التجميع، تتم إزالة العينة من الشوائب الميكانيكية والبروتينات لتجنب تعطل المعدات. بعد التحليل، تتم معالجة النتيجة باستخدام جهاز كمبيوتر ويتم الحصول على "قائمة الميزات": يبلغ الناتج حوالي 10-15 ألف سطر. تنتج الأعمدة صيغة نحددها بكتلة دقيقة، وكثافة تتناسب مع كمية ذلك الجزيء، و"بصمة".

الطريقة الأكثر مباشرة لتطبيق هذاتجربة قياس الطيف الكتلي الأيضي - مقارنة الأشخاص المرضى والأصحاء لتحديد الجزيئات التي تظهر وتظهر وتغير تركيزها عند حدوث مثل هذا الاختلاف.عادة هناك مجموعتان:الأشخاص الأصحاء والأشخاص الذين يعانون من مرض يهمنا، على سبيل المثال، شكل معين من الأورام. ولكل عينة يتم الحصول على مثل هذه اللوحات، ومن ثم يقوم علماء الرياضيات بمقارنتها وتصورها لإيجاد الاختلافات بينها.

أول تطبيق لقياس الطيف الكتلي هو فحص حديثي الولادة.كل مولود جديد بأمر من وزارة الصحة2006، يطلب منهم إجراء اختبار لمجموعة معينة من الأمراض الوراثية. الآن، على أية حال، يتم إجراء اختبارات في موسكو للكشف عن 16 مرضًا مختلفًا على الأقل. هناك مثل هذه الأمراض، وغالبا ما تظهر نفسها منذ الدقائق الأولى من الحياة، والتي، إذا لم تتوقف في الوقت المناسب، في أسبوع أو بضعة أيام يمكن أن تجعل الطفل معاقًا مدى الحياة. لذلك، يجب إجراء مثل هذا التشخيص خلال الساعات القليلة الأولى من حياة الوليد. المؤشرات الحيوية لجميع هذه الأمراض تقريبًا هي مستقلبات جزيئية صغيرة. أي أن الأمراض تظهر في شكل اضطرابات في عملية التمثيل الغذائي، على سبيل المثال، تراكم بعض الأحماض العضوية في الدم أو بعض الدهون. وبطبيعة الحال، يحدث هذا التراكم في تركيزات صغيرة جدا، ومن الضروري التعرف على الفرق في التغيرات في عملية التمثيل الغذائي. لذلك، إلى جانب قياس الطيف الكتلي، لن تعمل أي طريقة أخرى هنا.

ولحل مشكلة جمع الدم من الأطفال (ليست هذه الكمية الكبيرة من الدم وخوف الأطفال من الأساليب الغازية والأطباء)، توصلوا إلى تقنية لتحليل بقع الدم المجففة.يتم إجراء ثقب صغير واحد أو أكثرقطرتين من الدم مباشرة على قطعة صغيرة من ورق الترشيح. حجم الدم هنا هو عدة ميكرولتر. ثم يتم تجفيف هذه البطاقة وإرسالها إلى المختبر، كما أن الإرسال مريح جدًا أيضًا: لا تحتاج العينة إلى تجميدها أو إذابتها. ما عليك سوى إعادة إذابة هذه البطاقة للتحليل، وفي غضون ساعات قليلة يصبح التحليل جاهزًا.

مجال آخر لتطبيق قياس الطيف الكتلي هو الطب الشخصي.جميع موادنا تذهب إلى الكبد، والكبدبطريقة ما يستقلبهم. علاوة على ذلك، تعمل أكبادنا بشكل مختلف بالنسبة لنا جميعًا، ليس فقط بسبب بعض الأمراض أو العادات السيئة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤثر عصير الجريب فروت بشكل كبير على عملية التمثيل الغذائي لديك، فهو يثبط بعض الإنزيمات ونتيجة لذلك، قد يكون تركيز بعض الأدوية لديك أعلى بعدة مرات من المتوقع. سيكون لدى بعض الأشخاص هذا التركيز في دمائهم بعد تناول الدواء، بينما سيكون لدى البعض الآخر ضعف التركيز. اتضح أنه يجب تخفيض الجرعة إلى النصف حتى لا تسبب ضررًا غير ضروري للجسم. ومن هنا الانتقال إلى الطب الشخصي. تأخذ حبة دواء، ويتم أخذ دمك كل ساعة، وينظرون إلى المنحنى: كيف تنتقل المادة عبر جسمك مع مرور الوقت، وما هو تركيزها في الدم. بعد ذلك يمكن للطبيب تعديل الجرعة أو حتى إيقاف الدواء لك ووصف دواء آخر. وفي هذه الحالة، يتم استخدام تحليل الدم الجاف أيضًا بنشاط كبير.

أي دواء جديد يدخل السوق يمر بالضرورة بمرحلة بحث استقلابية.بعض الأدوية قد لا تكون شديدة السمية،ولكن نتيجة لتعطل الكبد وبعض الأخطاء، يمكن أن تتحول هذه المواد إلى مواد أكثر سمية. أبسط مثال هو الباراسيتامول. تنص تعليمات الباراسيتامول على أنه لا ينبغي إعطاؤه للأطفال الصغار. يجب إعطاء الأطفال الصغار الإيبوبروفين فقط. والسبب في ذلك هو تراكم هذا الجزيء في الكبد والذي يكون له تأثير سام نتيجة لعملية التمثيل الغذائي. بالنسبة لشخص بالغ لديه كبد متطور، فإن هذا التأثير السام ليس ملحوظًا جدًا، على الرغم من أنه لا ينبغي بالطبع ابتلاع الباراسيتامول في الجرار أيضًا. بالنسبة للأطفال الصغار، يمكن أن يؤدي هذا، في الواقع، إلى جميع أنواع العواقب غير السارة وحتى التي لا رجعة فيها. ولذلك، يجب دراسة كل دواء جديد من أجل عملية التمثيل الغذائي.

التصوير هو وسيلة لإجراءتحليل الطيف الكتلي، عندما نحصل على معلومات ليس فقط عن عينة متجانسة، ولكن أيضًا عن عينة غير متجانسة، ويمكننا دراسة تركيبها الجزيئي في الفضاء.هناك مثال مثير للاهتمام للدراسةتوزيع الدواء ومستقلباته في جسم الجرذ. يتم إجراء التجربة على النحو التالي: يتم إعطاء الجرذ دواءً معينًا ، وبعد عدة ساعات يتم التخلص من الحيوان بطريقة القتل الرحيم ثم يتم قطع الحيوان بدقة على طول الجسم بالكامل. ثم تتيح لك تقنية خاصة لقياس الطيف الكتلي دراسة التركيب الجزيئي لكل نقطة في هذه العينة. بعد معالجة الكمبيوتر ، من الممكن تصور مكان تراكم المستقلبات. من المهم دراسة توزيع المستقلبات ، لأنه إذا كنت تتناول دواء الالتهاب الرئوي ، فمن المهم أن ينتهي به المطاف في الرئتين وليس في الدماغ. المبضع الطيفي الكتلي هو "سكين" يضخ الجزيئات خارج موقع الشق ، وبعد ذلك ، باستخدام تكنولوجيا الكمبيوتر ، من الممكن تحديد الجراح الذي يقطع الأنسجة: مريض أو سليم. يتم الآن تنفيذ هذه الطريقة في الولايات المتحدة ، وقد تم بالفعل تنفيذ أول عملية حقيقية باستخدام مثل هذا السكين.

بصمات الأصابع لكل جزيء

تكمن المشكلة في أن عدة مئات أو حتى آلاف المركبات الكيميائية يمكن أن تتوافق مع تركيبة عنصرية واحدة.ولذلك فمن الضروري تحديد كافة الصفوفوهذه هي المهمة الرئيسية للتحليل الأيضي الحديث، ولسوء الحظ، لم يتم حلها بالكامل. تتم مقارنة البصمات الجزيئية مع تلك الموجودة في قواعد بيانات الجزيئات الكيميائية. إذا كانا متطابقين، فيمكننا أن نقول ببعض الثقة أن هذا هو الجزيء الصحيح. لكن قواعد البيانات هذه تحتوي على عدد محدود للغاية من المواد. تحتوي قاعدة البيانات الكاملة لبصمات الأصابع على حوالي 20-30 ألف مركب، وهي لا تغطي حتى جميع المستقلبات الأولية والثانوية الموجودة في جسم الإنسان. هناك مشكلة أخرى: لتجديد قاعدة البيانات هذه، تحتاج إلى مادة كيميائية نقية، وعادة ما تكون باهظة الثمن. وهذا يعني أن مادة كيميائية نقية واحدة عادة ما تكلف عشرات أو مئات الدولارات.

أحد أساليب تحديد الهوية هو إنشاء بصمات أصابع جديدة.على سبيل المثال، يتم الآن تطوير الطريقة بنشاطمطياف الحركة الأيونية. في حين أن قياس الطيف الكتلي يقسم الأيونات حسب الكتلة، فإن حركة الأيونات تسمح بفصلها حسب الحجم. وهذا هو، إذا كان لديك اثنين من المتسابقين - ليس ثقيلا وخفيفا، ولكن كبير وصغير، ووضع نوع من العوائق في طريقهم - على سبيل المثال، شبكة بها خلايا، فإن الرياضي النحيف سوف يزحف بسرعة عبر هذه الشبكة ويصل إلى خط النهاية، أما الشخص السمين فسوف يأتي راكضًا بعد مرور بعض الوقت حتى يخرج من هذه الشبكة.

الطريقة الثانية هي محاولة العثور على بصمات أصابع لا تتطلب معايير نظيفة لتحديدها.نقترح في المختبر استخدام ما يسمى بتبادل النظائر.

على سبيل المثال ، إذا نظرنا إلى مثل هذا الجزيء ، إذنسنرى أنه يحتوي على ذرات هيدروجين مرتبطة بالأكسجين. لذلك ، هم مميزون. يمكنهم ترك هذا الجزيء والعودة إليه. إذا كان هذا الجزيء مذابًا في الماء ، فيمكن للهيدروجين أن يترك الجزيء ، ويمكن أن يعود الهيدروجين من الماء. وإذا لم نأخذ الماء فقط ، بل الماء الثقيل ، حيث يوجد الديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين ، فيمكن للهيدروجين أن يترك الجزيء ، ويمكن للديوتيريوم أن يحل محله. من المعروف أن الديوتيريوم يختلف عن الهيدروجين في الوزن الجزيئي لكل وحدة ، ويمكن لمقياس الطيف الكتلي أن يرى مثل هذا التحول. ببساطة عن طريق حساب عدد هذه الهيدروجين ، يمكننا القول ما إذا كان الجزيء ضروريًا أم لا ، سواء حددناه بشكل صحيح أم لا.

يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي لتحديد الجزيئات.واستنادا إلى المعلومات المتاحة، يمكنك إكمالقواعد بيانات المعلومات المفقودة باستخدام أساليب التعلم العميق. أي أننا نقوم بتدريب النموذج، ويتنبأ بالبصمات اللازمة بناءً على بنية الجزيء، والتي يمكننا بعد ذلك استخدامها للمقارنة مع ما تم الحصول عليه في التجربة.

انظر أيضا:

حصل أورانوس على مكانة أغرب كوكب في المجموعة الشمسية. لماذا؟

يمكن للبشر تحمل درجات حرارة منخفضة للغاية حتى بدون مصادر الحرارة

ابتكر الفيزيائيون نظيرًا للثقب الأسود وأكدوا نظرية هوكينغ. إلى أين تقود؟