Skoltechin massaspektrometrialaboratoriota johtaa Venäjän tiedeakatemian vastaava jäsen
Mikä on elämänprosessien rakentamisen ydin
DNA on pitkä polymeeriketju, joka tallentaa tietoa siitä, kuinka kehon tulisi näyttää ja toimia.Eli miten eroamme muista lajeistaja kuinka kaksi saman lajin yksilöä eroavat toisistaan. Nämä molekyylit määräävät ainutlaatuisuutemme. Annan sinulle esimerkin: toukka ja perhonen, johon se kasvaa. Ovatko heidän DNA-molekyylit mielestäsi erilaisia vai samoja? Itse asiassa oikea vastaus on: sama. Geneettinen tieto ei muutu millään tavalla elämän aikana. Itse asiassa, miksi toukat ja perhoset ovat lopulta erilaisia? Koska kaikki DNA:han tallennettu tieto ei realisoidu yhtä aikaa. Toteutus tapahtuu transkriptioprosessin kautta, jonka seurauksena yksittäisten geenien lukemisen jälkeen lähetti-RNA sallii proteiinien synteesin.
Proteiinit ovat kehossa yleisiä molekyylikoneita, jotka suorittavat erilaisia toimintoja: rakentamisesta säätelyyn.Yksi elämän vanhentuneista määritelmistä onproteiinimolekyylien järjestynyt olemassaolo ja vuorovaikutus. Mutta ongelmana on, että proteiinimolekyylit ovat myös suuria. Proteiinit ovat myös polymeerimolekyylejä, joilla on suuri molekyylipaino: yleensä 10 - useita satoja kilodaltonia. Ja peruselämän prosessien rakentaminen niille on melko ongelmallista, koska ne ovat melko herkkiä lämpötilan ja ulkoisen ympäristön muutoksille. Ja tästä syystä melkein kaikki solun elintärkeät prosessit toteutuvat pienten molekyylien kautta. Ja pienten molekyylien muuntumista toisikseen ohjaavat jo proteiinit. Näiden pienten molekyylien molekyylipaino on useista kymmenistä useisiin satoihin kilodaltoneihin. Kaikkia pieniä molekyylejä, joita löytyy elävästä organismista, kutsutaan metaboliiteiksi.
1 daltonia tai 1 atomimassayksikkö (amu)- järjestelmän ulkopuolinen massayksikkö, jota käytetään molekyylien, atomien, atomiytimien ja alkuainehiukkasten massoille.
1 a. yksikköä = 1,660530666 60 (50) ⋅10−27 kg.
Ensisijaiset metaboliitit ovat kemikaaleja, joita esiintyy kehon kaikissa soluissa ja jotka ovat välttämättömiä elintärkeiden prosessien ylläpitämiseksi.Kaikki polymeerimolekyylit, proteiinit janukleiinihapot. Nämä metaboliitit ovat samat kaikille yhden organismin soluille. Elämän aikana metaboliitit muuttuvat toisikseen esimerkiksi energian siirtoa varten. Ja näitä transformaatioreittejä - transformaatioketjuja - kutsutaan aineenvaihduntareiteiksi.
Krebsin sykli tai trikarboksyylihapposykli on vastuussa soluhengityksen prosessista.
Eri aineenvaihduntareitit ihmiskehossa leikkaavat toisin sanoen niillä on yhteisiä osallistujia.Siten kaikki prosessit, jotka tapahtuvat metaboliittien kanssa, ovat yhteydessä toisiinsa.
Sekundaarimetaboliitit ovat aineita, joita ei tarvita kaikille soluille niiden elintoimintojen varmistamiseksi.Niitä käytetään yleensä sopeutumaan olosuhteisiinulkoiseen ympäristöön. Esimerkiksi kahvikasvit tuottavat kofeiinia suojellakseen lehtiään tuholaisilta. Ne ovat myrkyllisiä kovakuoriaisille, jotka syövät kahvikasvien lehtiä. Mutta jos poistamme jotenkin kaiken kofeiinin kasvista, se jatkaa elämäänsä. Mitään tärkeitä prosesseja ei häiritä. Toinen esimerkki on antibiootit. Tiedät, että penisilliini on ensimmäinen antibiootti, ja se eristettiin täysin vahingossa homeista, mikä mullisti lääketieteen. Muotit käyttävät penisilliiniä puhdistaakseen asuintilansa. Se on vaaraton emoorganismille, mutta myrkyllinen muille mikro-organismeille. Itse asiassa ihmiset käyttävät tätä ominaisuutta erilaisten bakteeri-infektioiden hoitoon. Koska ihmiset kuluttavat aktiivisesti kasveja ravinnoksi, kehomme on tiheään asutettu erilaisilla mikro-organismeilla, jotka muodostavat mikroflooran. Nämä aineet ovat toissijaisia aineenvaihduntatuotteita, ei vain ihmisen itsensä, vaan myös elävien organismien, jotka väistämättä tulevat kehoomme.
Luonnollinen suodatin ja miksi se on väärä
Ksenometaboliitit ovat antibiootteja, yhdisteitä, jotka eivät liity elävien organismien aktiivisuuteen.Se on yleensä jotain, jonka ihminen on saanutkeinotekoisesti eri tarkoituksiin. Esimerkiksi lääkkeet, elintarvikelisäaineet, ravintolisät, doping, huumeet, tupakan palamistuotteet, alkoholi tai hygieniatuotteet, kotitalouskemikaalit, ekomyrkylliset aineet. Nämä ovat myös pieniä molekyylejä, ja ne pääsevät kehoon sekä tarkoituksellisesti, huumeiden tapauksessa että vahingossa. Esimerkiksi harjasit hampaasi, nielit hammastahnaa – ja näin uusia kemikaaleja tuli elimistöösi. Ja monilla näistä aineista voi olla tiettyjä vaikutuksia kehoomme, jopa hyvin pieninä pitoisuuksina. Lisäksi tämä vaikutus voi olla joko positiivinen tai negatiivinen tai vaihdella tämän aineen määrästä riippuen.
Maksa on ensimmäinen este vieraiden kemikaalien pääsylle systeemiseen verenkiertoon.Se yrittää suodattaa pois niitä molekyylejäkeho vahingoittuu ja poista ne, estäen niitä vapautumasta edelleen verenkierron kautta elimiin. Maksassa on monia suodatusmekanismeja, mutta yksikään niistä ei toimi 100 %: muuten ei myrkytyksiä ja vakavia seurauksia toksiinien tai lääkkeiden ottamisesta aiheutuisi. Maksa kuitenkin hyödyntää sitä tosiasiaa, että kehomme on suurelta osin vettä, eli se koostuu 80-prosenttisesti vedestä. Siksi maksa yrittää lajitella molekyylit hydrofiilisiksi, jotka liukenevat veteen, ja hydrofobisiin. Maksa "uskoo", että jos aine on hydrofiilinen, se voidaan vapauttaa edelleen systeemiseen verenkiertoon, koska sen ei pitäisi aiheuttaa paljon haittaa. Ja jos aine on hydrofobinen, sille on tehtävä jotain, jotta se ei vapautuisi enempää tai ainakin tekisi siitä hydrofiilisemmän.
Maksassa on kaksi mekanismia - metaboliset vaiheet.Ensimmäisessä vaiheessa maksa yrittääsytokromi P450 -perheen erityiset proteiinit ja entsyymit hapettavat näitä aineita. Hapetuksen seurauksena molekyylin rakenne muuttuu ja siitä voi tulla hydrofiilisempi. Maksa voi sitten vapauttaa nämä metaboliitit verenkiertoon tai yrittää poistaa ne munuaisten kautta virtsan tai suoliston kautta. Jos tämä ei auta, maksa voi "ommella" valmiita, taatusti vesiliukoisia molekyylejä näihin hapettuneisiin molekyyleihin.
Maksan aineenvaihdunta lisää pienten molekyylien monimuotoisuutta, jotka voivat päätyä kehoomme.Esimerkiksi hapettumisvaiheessa yhdestä molekyylistä muodostuu teoreettisesti yli 500 uutta uutta molekyyliä; ei voida ennustaa, mitkä niistä muodostuvat ja mitkä eivät.
Ääretön aakkoset: Miksi on niin vaikeaa tutkia metaboliitteja
Nukleiinihapot voidaan esittää viisikirjaimisena aakkosena, josta on rakennettu suuri tekstimerkkijono.Kyllä, tietysti kirjainjärjestys tässälinja voi olla suhteellisen kaoottinen, vaikka DNA ei elämän aikana muutu, vaan se yksinkertaisesti kopioituu. Joten meillä on tiettyjä rajoituksia sille, mikä tämä merkkijono on. Proteiinien tapauksessa tilanne on hieman monimutkaisempi: aakkosissa on jo 20 kirjainta, eli 20 aminohappoa, joista proteiinit rakennetaan, mutta tämä tapahtuu myös tahattomasti. Siksi nämä esineet ovat tutkijan näkökulmasta myös melko samanlaisia. Ja metaboliittien tapauksessa on erittäin ongelmallista erottaa mikä tahansa aakkosto: itse asiassa tämä on koko jaksollinen taulukko. Ja muodostumissääntöjen joukossa - vain valenssisääntö. Lisäksi hiilikemiassa on ominaisuus, jonka avulla kaksi hiiliatomia voivat sitoutua toisiinsa ja lisätä sitten rajoittamattoman määrän hiiliatomeja tai muita atomeja jaksollisesta järjestelmästä, mikä johtaa tällaisten molekyylien valtavaan kemialliseen monimuotoisuuteen.
Tällaisten pienten molekyylien ja niiden monipuolisuuden tutkimiseen tarvitaan erityisiä menetelmiä.Niitä on yksinkertaisia:esimerkiksi aistinvarainen analyysi, johon jokainen, joka on ottanut yleisen veri- tai virtsakokeen ja nähnyt, että suunnassa on "haju, väri" -viiva, on törmännyt. Kun liuoksesta on löydettävä tietty molekyyli, lisätään tippa ennalta valittua reagenssia. Jos liuoksessa oli molekyyli, värjäytyminen tapahtuu, jos sitä ei ollut, vain sakka ilmestyy. Yksinkertaisten menetelmien joukossa on myös optinen spektroskopia, jossa mikroskooppia käytettäessä voidaan tehdä johtopäätöksiä sedimentin rakenteesta. Immunokemialliset menetelmät ovat nyt melko suosittuja: tämä on sama ELISA-testi COVID-19:lle.
Omiikkatutkimukset ovat tutkimuksia, jotka tutkivat kokonaista populaatiota.Metabolomiikka merkitsee suurten analyysiätiedot, jotka edustavat koko joukko pieniä molekyylejä organismissa, solussa tai elimessä. Näiden tietojen joukko vaihtelee useiden arvioiden mukaan useista tuhansista, jos otetaan huomioon vain primaarimetaboliitit, useista kymmenistä tuhansista, jos lisätään niihin tunnettujen kasvien, bakteerien ja sienien sekundaarisia metaboliitteja. Itse asiassa jopa useita satoja miljoonia, jos otamme huomioon kaiken kemiallisen monimuotoisuuden, joka voi päästä ihmiskehoon. Niiden tutkimiseen tarvitaan erityisiä menetelmiä: ydinmagneettisen resonanssin (NMR) spektroskopia ja massaspektrometria.
NMR: n 80-vuotisen historian aikana tähän menetelmään osallistuneet tutkijat ovat saaneet viisi Nobelin palkintoa.Neljä - NMR:lle ja viides - NMR:llemagneettikuvaus. Menetelmä hieman erilainen kuin NMR-spektroskopia, mutta periaatteessa hyvin samanlainen. NMR-menetelmä perustuu siihen tosiasiaan, että joillakin jaksollisen järjestelmän atomeilla on nollasta poikkeava magneettinen momentti. Ne ovat pieniä magneetteja ja voivat olla vuorovaikutuksessa ulkoisen magneettikentän kanssa. Tämä vuorovaikutus ilmenee energiatasojen jakautumisena. NMR-menetelmän avulla voidaan erottaa eri atomit ja saman alkuaineen atomit, mutta eri ympäristöissä. Viime aikoina NMR on menettänyt suosiotaan pääasiassa korkeiden kustannustensa vuoksi.
Kuinka tehdä varautuneita hiukkasia monimutkaisesta seoksesta ja selvittää niiden koostumus
Massaspektrometria on menetelmä varattujen hiukkasten erottamiseksi vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen kentän kanssa.Jos otamme jonkin monimutkaisen seoksen, joka koostuuerilaisia varautuneita hiukkasia, ja melkein mikä tahansa molekyyli nykyaikaisilla massaspektrometriamenetelmillä voidaan muuntaa varautuneeseen muotoon lisäämällä siihen protoni tai poistamalla siitä protoni ja kohdistamalla tähän seokseen sähkömagneettinen kenttä, niin tämän kentän hiukkaset alkavat liikkua ja niillä on joko nopeus tai lentorata massasta riippuen. Kevyet hiukkaset saapuvat ilmaisimeen aikaisemmin kuin raskaat. Ilmaisimen tietojen käsittelyn jälkeen saadaan massaspektri, jossa Y-akselia pitkin on signaalin intensiteetti, joka on verrannollinen ionien lukumäärään, ja X-akselilla - ionien massa, tai pikemminkin massan suhde varaukseen. Lisäksi massaspektrometria mahdollistaa massan mittaamisen erittäin suurella tarkkuudella. Tämä tarkoittaa, että on mahdollista määrittää yksiselitteisesti sen ionin, varautuneiden hiukkasten tai molekyylin alkuainekoostumus, josta se muodostui. Matemaattisesti tätä kutsutaan diofantiiniyhtälön ratkaisemiseksi kokonaislukuina: itse asiassa tämä on valikoima kertoimia jokaisen atomin lähellä: m(C), m(H), k(O), z(N). Ja vain yksi kokonaislukujen m, n, k, z yhdistelmä voi antaa massaspektrometrillä mitatun massan.
Massaspektrometrian menetelmän ehdotti 1900-luvun alussa Thompson.Tutkijat kokosivat maailman ensimmäisen massaspektrometrin jahänen avullaan hän teki suuren löydön: hän vahvisti kokeellisesti isotooppien olemassaolon. Toisaalta hän ei kyennyt antamaan oikeaa tulkintaa tuloksistaan. Hänen oppilaansa William Aston teki tämän hänen puolestaan: vuonna 1922 hän sai Nobel-palkinnon tästä löydöstä. 1900-luvulla useiden maailmansotien seurauksena massaspektrometria kehittyi armeijan menetelmäksi. Kehittämisensä alussa se löysi pääsovelluksensa ydinteollisuudessa. Koska massaspektrometrialla voidaan erottaa aineita massan mukaan ja määrittää isotooppeja, sitä voidaan käyttää isotooppien, kuten uraanin, erottamiseen. Massaspektrometriasta myönnettiin vielä kaksi Nobel-palkintoa: vuonna 1989 - Wolfgang Paul ja Hans Demelt, ja sitten vuonna 2002 - John Fenn ja Kaishi Tanaka suorittivat itsenäisesti todellisen vallankumouksen. He ehdottivat omaa menetelmää, jonka avulla on mahdollista saada varautunut hiukkanen suuresta polymeerimolekyylistä: proteiineista tai nukleiinihapoista tuhoamatta sitä. Tämä antoi sysäyksen tutkimukselle. Nyt yksikään laboratorio - biokemian tai molekyylibiologian laboratorio - ei voi toimia ilman omaa massaspektrometriä tai ilman hyvin varusteltua yhteiskäyttökeskusta instituutissa.
Kun olemme määrittäneet ionin massan, voimme määrittää vain alkuaineiden koostumuksen, mutta ei molekyylien rakennetta.Koska yksi erilaisten rakenteiden alkuainekoostumus voi vastata valtavaa määrää. Eli molekyylin atomit voidaan järjestää eri tavoin. Tätä kutsutaan isomerismiilmiöksi.
Massaspektrometrit ovat keksineet menetelmän, jonka avulla voit saada hieman enemmän tietoa molekyylin rakenteesta: tietty este asetetaan kiihtyvien molekyylien polulle.Yleensä nämä ovat kaasumolekyylejä.Kun molekyylit törmäävät näihin kaasumolekyyleihin, ne voivat hajota törmäyksestä. Ja sitten massaspektrometri ei mittaa alkuperäisen molekyylin massaa, vaan niiden kappaleiden massaa, joihin se hajosi. Ja tämä hajoaminen ei tapahdu satunnaisesti, vaan molekyylin heikoimpia sidoksia pitkin. Tuloksena olevat fragmentit ovat identtisiä, ja ne ovat molekyylisormenjälkiä: ainutlaatuisia jokaiselle molekyylille.
Kromatografia on menetelmä aineiden erottamiseksi perustuen niiden vuorovaikutukseen sorbenttien kanssa.Sorbentit ovat jotain, joka voi imeytyämuita kemikaaleja, ja yksinkertaisin on aktiivihiili, jota otamme myrkytyksen yhteydessä. 1900-luvun alussa venäläinen tiedemies Mihail Tsvet osoitti, että jos tällainen luonnollinen väriaine johdetaan liidulla täytetyn pylvään läpi, niin yhden suuren vihreän tahriintuneen pisteen sijaan saat useita monivärisiä pisteitä: keltaisesta vihreä. Siten hän ensinnäkin tajusi, että lehtien vihreä väriaine on sekoitus erilaisia aineita. Ja toiseksi hän löysi kromatografian, josta vuonna 1952 muut tutkijat, jotka toivat hänen menetelmänsä johonkin moderniin muotoon, saivat Nobel-palkinnon. Nykyaikaisessa kromatografiassa seos johdetaan kolonnin läpi käyttämällä nestettä tai kaasua kromatografian tyypistä riippuen. Neste "raahaa" molekyylejä eteenpäin, kohti kolonnin ulostuloa, ja sorbentti häiritsee jokaista molekyyliä eri tavoin. Ne päätyvät poistumaan sarakkeesta eri aikoina, jotka voidaan tallentaa ja käyttää toisena sormenjälkenä tunnistamiseen.
Aivoselkäydinnesteestä kuivan veren menetelmään
Massaspektrometria on ainoa tällä hetkellä käytettävissä oleva menetelmä aivo-selkäydinnesteen tutkimiseen.Joissakin vaikeissa tapauksissa diagnoosia vartensairauksiin, tarvitaan pisto, selkäranka puhkaistaan ja aivo-selkäydinnestenäyte otetaan. Mutta ongelmana on, että ihmisellä on keskimäärin vain 120 ml aivo-selkäydinnestettä. Ja tämä neste on paineen alaisena, joten jopa 1 ml:n ottaminen vaikuttaa merkittävästi tähän paineeseen ja voi johtaa peruuttamattomiin seurauksiin keholle. Siksi todellisuudessa vain muutama mikrolitra voidaan ottaa näytteitä. Mikään olemassa olevista menetelmistä paitsi massaspektrometria ei pysty käsittelemään niin pieniä määriä näytteitä, koska mitä pienempi näyte, sitä vähemmän molekyylejä siinä on ja sitä herkempiä laitteesi tulee olla. Massaspektrometrian herkkyys on yleensä riittävä tähän. Keräyksen jälkeen näyte poistetaan mekaanisista inkluusioista ja proteiineista laitteiden rikkoutumisen välttämiseksi. Analyysin jälkeen tulos käsitellään tietokoneella ja saadaan "ominaisuuksien luettelo": lähtö on noin 10-15 tuhatta riviä. Sarakkeet tuottavat kaavan, jonka määrittelemme tarkalla massalla, intensiteetillä, joka on verrannollinen kyseisen molekyylin määrään, ja "sormenjäljellä".
Suorin tapa soveltaa tätämetabolomiikka massaspektrometriakoe - vertaamalla sairaita ja terveitä ihmisiä tunnistamaan mitkä molekyylit ilmestyvät, ilmestyvät ja muuttavat pitoisuuttaan, kun tällainen ero ilmenee.Yleensä on kaksi ryhmää:terveitä ihmisiä ja ihmisiä, joilla on jokin meitä kiinnostava sairaus, esimerkiksi jolla on tietty onkologia. Jokaiselle näytteelle hankitaan tällaiset levyt, ja sitten matemaatikot vertailevat ja visualisoivat niitä löytääkseen erot niiden välillä.
Massaspektrometrian ensimmäinen sovellus on vastasyntyneiden seulonta.Jokainen vastasyntynyt terveysministeriön määräyksestä2006, heidän on testattava tietyt perinnölliset sairaudet. Nyt joka tapauksessa Moskovassa testataan ainakin 16 erilaista sairautta. Tällaisia sairauksia on, ja ne ilmenevät usein heti elämän ensimmäisistä minuuteista lähtien, jotka voivat tehdä lapsesta elinikäisen vamman, jos sitä ei lopeteta ajoissa, viikossa tai muutamassa päivässä. Siksi tällainen diagnoosi on tehtävä vastasyntyneen elämän ensimmäisten tuntien aikana. Lähes kaikkien näiden sairauksien biomarkkerit ovat pienimolekyylisiä metaboliitteja. Toisin sanoen sairaudet ilmenevät aineenvaihduntahäiriöinä, esimerkiksi tiettyjen orgaanisten happojen kerääntymisenä vereen tai tiettyihin lipideihin. Ja luonnollisesti tämä kertyminen tapahtuu hyvin pieninä pitoisuuksina, on välttämätöntä tunnistaa ero aineenvaihdunnassa. Siksi massaspektrometrian lisäksi mikään muu menetelmä ei toimi tässä.
Ratkaistakseen lasten verenkeräysongelman (ei niin suuri määrä verta ja lasten pelko invasiivisista menetelmistä ja lääkäreistä) he keksivät tekniikan kuivuneiden veripisteiden analysoimiseksi.Pieni puhkaisu tehdään ja yksi tai useampikaksi tippaa verta suoraan pienelle suodatinpaperille. Veren tilavuus tässä on useita mikrolitraa. Sitten tämä kortti kuivataan ja lähetetään laboratorioon, ja lähettäminen on myös erittäin kätevää: näytettä ei tarvitse pakastaa tai sulattaa. Liuota tämä kortti uudelleen analysointia varten, ja muutaman tunnin kuluessa analyysi on valmis.
Toinen massaspektrometrian sovellusalue on henkilökohtainen lääketiede.Kaikki aineemme menevät maksaan ja maksaanjotenkin metaboloi niitä. Lisäksi maksamme toimii eri tavalla meille kaikille, ei vain joidenkin sairauksien tai huonojen tapojen vuoksi. Esimerkiksi greippimehu voi vaikuttaa merkittävästi aineenvaihduntasi, ja se estää joitakin entsyymejä ja sen seurauksena joidenkin lääkkeiden pitoisuus voi olla useita kertoja odotettua korkeampi. Joidenkin ihmisten veressä on tämä pitoisuus lääkkeen ottamisen jälkeen, kun taas toisten pitoisuus on kaksinkertainen. Osoittautuu, että annos on puolitettava, jotta keholle ei aiheudu tarpeetonta haittaa. Siksi siirtyminen henkilökohtaiseen lääketieteeseen. Otat pillerin, verta otetaan tunnin välein ja he katsovat käyrää: kuinka aine kulkee kehossasi ajan kuluessa, mikä on sen pitoisuus veressä. Sitten lääkäri voi säätää annosta tai jopa lopettaa lääkkeen käytön ja määrätä toisen lääkkeen. Ja tässä tapauksessa kuivan veren analyysiä käytetään myös erittäin aktiivisesti.
Kaikki markkinoille tulevat uudet lääkkeet käyvät välttämättä aineenvaihdunnan tutkimusvaiheen läpi.Jotkut lääkkeet eivät välttämättä ole kovin myrkyllisiä,mutta maksan hajoamisen ja joidenkin virheiden seurauksena nämä aineet voivat muuttua vielä myrkyllisemmiksi. Yksinkertaisin esimerkki on parasetamoli. Parasetamolin ohjeissa sanotaan, että sitä ei saa antaa pienille lapsille. Että pienille lapsille tulisi antaa vain ibuprofeenia. Ja syynä tähän on tämän molekyylin kertyminen maksaan, jolla on aineenvaihdunnan seurauksena myrkyllinen vaikutus. Aikuisella, jolla on hyvin kehittynyt maksa, tämä myrkyllinen vaikutus ei ole kovin havaittavissa, vaikka parasetamoliakaan ei tietenkään pidä niellä purkeissa. Pienille lapsille tämä voi itse asiassa johtaa kaikenlaisiin epämiellyttäviin ja jopa peruuttamattomiin seurauksiin. Siksi jokaisen uuden lääkkeen aineenvaihdunta on tutkittava.
Kuvantaminen on tapa toimiamassaspektrometrinen analyysi, kun saamme tietoa homogeenisen, mutta myös heterogeenisen näytteen lisäksi ja voimme tutkia sen molekyylikoostumusta avaruudessa.Opiskeluun on niin mielenkiintoinen esimerkkilääkkeen ja sen metaboliittien jakautuminen rotan kehossa. Koe suoritetaan seuraavasti: rotalle annetaan tietty lääke, muutaman tunnin kuluttua eläin lopetetaan ja sitten eläin leikataan hienoksi koko kehoon. Ja sitten erityinen massaspektrometriatekniikka antaa sinun tutkia tämän näytteen jokaisen pisteen molekyylikoostumusta. Tietokonekäsittelyn jälkeen on mahdollista visualisoida missä metaboliitit ovat kertyneet. On tärkeää tutkia metaboliittien jakautumista, koska jos käytät keuhkokuume-lääkettä, on tärkeää, että se pääsee keuhkoihin eikä aivoihin. Massaspektrometrinen leikkausveitsi on "veitsi", joka pumppaa molekyylit pois viillokohdasta, ja sitten tietotekniikkaa käyttämällä on mahdollista määrittää, mikä kirurgi leikkaa kudosta: sairas vai terve. Tätä menetelmää toteutetaan nyt Yhdysvalloissa, ja ensimmäinen todellinen toimenpide tällaisella veitsellä on jo suoritettu.
Kunkin molekyylin sormenjäljet
Ongelmana on, että useat sadat tai jopa tuhannet kemialliset yhdisteet voivat vastata yhtä alkuainekoostumusta.Siksi on välttämätöntä tunnistaa kaikki rivittaulukoita, ja tämä on nykyaikaisen metabolomisen analyysin päätehtävä, mutta valitettavasti sitä ei ole täysin ratkaistu. Molekyylisiä sormenjälkiä verrataan kemiallisten molekyylien tietokannoista löydettyihin sormenjälkiin. Jos ne täsmäävät, voimme sanoa varmuudella, että tämä on oikea molekyyli. Tällaiset tietokannat sisältävät kuitenkin hyvin rajallisen määrän aineita. Täydellinen sormenjälkitietokanta sisältää noin 20–30 tuhatta yhdistettä, se ei edes kata kaikkia ihmiskehossa olevia primaarisia ja sekundaarisia metaboliitteja. On toinenkin ongelma: tämän tietokannan täydentämiseksi tarvitset puhdasta kemiallista ainetta, ja ne ovat yleensä kalliita. Eli yksi puhdas kemikaali maksaa yleensä useita kymmeniä tai satoja dollareita.
Yksi tapa tunnistamiseen on luoda uusia sormenjälkiä.Esimerkiksi menetelmää kehitetään nyt aktiivisestiionien liikkuvuusspektrometria. Vaikka massaspektrometria jakaa ionit massan mukaan, ionien liikkuvuus mahdollistaa niiden erottamisen koon mukaan. Eli jos sinulla on kaksi juoksijaa - ei painava ja kevyt, vaan iso ja pieni, ja asetat heidän tielleen jonkinlaisen esteen - esimerkiksi verkon soluineen, niin hoikka urheilija ryömi nopeasti tämän verkon läpi ja saavuttaa maaliviivan, mutta lihava tulee Kunnes hän pääsee ulos tästä verkosta, hän tulee juoksemaan jonkin ajan kuluttua.
Toinen menetelmä on yrittää löytää sormenjäljet, joiden tunnistaminen ei vaadi puhtaita standardeja.Laboratoriossa ehdotamme ns. isotooppivaihdon käyttöä.
Esimerkiksi, jos katsomme tällaista molekyyliä, niinnäemme, että sillä on vetyatomeja, jotka liittyvät happeen. Joten ne ovat erityisiä. He voivat jättää tämän molekyylin ja palata siihen. Jos tämä molekyyli on liuotettu veteen, vety voi poistua molekyylistä ja vety voi palata vedestä. Ja jos emme ota vain vettä, vaan raskasta vettä, jossa vedyn sijasta on deuteriumia, vety voi jättää molekyylin ja deuterium voi ottaa paikkansa. Deuteriumin tiedetään eroavan vedystä molekyylipainossa yksikköä kohti, ja massaspektrometri voi nähdä tällaisen muutoksen. Yksinkertaisesti laskemalla tällaisten vetyjen määrä, voimme sanoa, onko tämä välttämätön molekyyli vai ei, tunnistimmeko sen oikein vai ei.
Tekoälyä voidaan käyttää molekyylien tunnistamiseen.Saatavilla olevien tietojen perusteella se on mahdollista suorittaatietokannat puuttuvista tiedoista syväoppimismenetelmien avulla. Eli harjoittelemme mallia, ja se ennustaa tarvittavat sormenjäljet molekyylin rakenteen perusteella, joita voimme sitten käyttää vertaamaan kokeessa saatuun.
Katso myös:
Uranus on saanut aurinkokunnan omituisimman planeetan tilan. Miksi?
Ihmiset kestävät hyvin alhaisia lämpötiloja myös ilman lämmönlähteitä
Fyysikot ovat luoneet analogin mustasta aukosta ja vahvistaneet Hawkingin teorian. Minne se johtaa?