סרגיי אוסיפנקו, סקולטק - בנושא מטבוליטים, שיטת דם יבש והקרנת ילדים

בראש מעבדת הספקטרומטריית המסה של סקולטק עומד חבר מקביל באקדמיה הרוסית למדעים

יבגני ניקולייב.צוות של מדענים, כולל עוזר פרופסור יורי קוסטיוקביץ' והדובר סרגיי אוסיפנקו, פותר בעיות יישומיות רבות ושונות: מפיתוח מכשירים חדשים ועד לארכיאולוגיה מולקולרית. אחת מפעילויות המעבדה היא חקר מולקולות קטנות, או מטבוליטים.

מה שעומד במרכז לבניית תהליכי חיים

DNA היא שרשרת פולימרית ארוכה המאחסנת מידע על איך הגוף צריך להיראות ולתפקד.כלומר, איך אנחנו שונים ממינים אחריםוכיצד שני פרטים מאותו מין שונים זה מזה. מולקולות אלו קובעות את הייחודיות שלנו. הרשו לי לתת לכם דוגמה: זחל והפרפר שלתוכו הוא גדל. האם לדעתך מולקולות ה-DNA שלהם שונות או זהות? למעשה, התשובה הנכונה היא: אותו דבר. מידע גנטי אינו משתנה בשום צורה במהלך החיים. בעצם, למה זחלים ופרפרים שונים בסופו של דבר? כי לא כל המידע המאוחסן ב-DNA מתממש בו זמנית. הטמעה מתרחשת באמצעות תהליך התעתוק, וכתוצאה מכך, לאחר קריאת גנים בודדים, RNA שליח מאפשר סינתזה של חלבונים.

חלבונים הם מכונות מולקולריות אוניברסליות בגופנו המבצעות פונקציות שונות: מבנייה ועד רגולטורית.אחת ההגדרות המיושנות של החיים היאסדר קיום ואינטראקציה של מולקולות חלבון. אבל הבעיה היא שגם מולקולות החלבון גדולות. חלבונים הם גם מולקולות פולימריות עם משקל מולקולרי גדול: בדרך כלל בין 10 לכמה מאות קילודלטון. ובניית תהליכי חיים בסיסיים עליהם היא די בעייתית, כי הם די רגישים לשינויים בטמפרטורה ובסביבה החיצונית. וזו כנראה הסיבה שכמעט כל התהליכים החיוניים בתא מתממשים באמצעות מולקולות קטנות. וההמרה של מולקולות קטנות זו לזו כבר נשלטת על ידי חלבונים. המשקל המולקולרי של מולקולות קטנות אלו נע בין כמה עשרות לכמה מאות קילודלטון. כל המולקולות הקטנות שנמצאות באורגניזם חי נקראות מטבוליטים.

1 דלתון, או יחידת מסת אטומית אחת (אמו)- יחידת מסה חוץ-מערכתית המשמשת להמוני מולקולות, אטומים, גרעיני אטום וחלקיקים יסודיים.

1 א. יחידות = 1.660 539 066 60 (50) ⋅10−27 ק"ג.

מטבוליטים ראשוניים הם כימיקלים הנמצאים בכל תאי הגוף והם נחוצים לשמירה על תהליכים חיוניים.כל מולקולות הפולימר, חלבונים וחומצות גרעין. מטבוליטים אלה זהים עבור כל התאים של אורגניזם אחד. במהלך החיים, מטבוליטים מומרים זה לזה, למשל, לצורך העברת אנרגיה. ונתיבי הטרנספורמציה האלה - שרשראות טרנספורמציה - נקראים מסלולים מטבוליים.

מחזור קרבס, או מחזור החומצה הטריקקרבוקסילית, אחראי לתהליך הנשימה התאית.

מסלולים מטבוליים שונים בגוף האדם מצטלבים, כלומר יש להם משתתפים משותפים.לפיכך, כל התהליכים המתרחשים עם מטבוליטים קשורים זה בזה.

מטבוליטים משניים הם חומרים שאינם נחוצים לכל התאים כדי להבטיח את תפקודם החיוני.הם משמשים בדרך כלל כדי להסתגל לתנאיםסביבה חיצונית. לדוגמה, צמחי קפה מייצרים קפאין כדי להגן על העלים שלהם מפני מזיקים. הם רעילים לחיפושיות שאוכלות את העלים של צמחי הקפה. אבל אם איכשהו נוציא את כל הקפאין מהצמח, הוא ימשיך לחיות. שום תהליכים חיוניים לא ישבשו. הדוגמה השנייה היא אנטיביוטיקה. אתה יודע שהפניצילין הוא האנטיביוטיקה הראשונה, והיא בודדה בטעות לחלוטין מעובשים, מה שחולל מהפכה ברפואה. עובשים משתמשים בפניצילין כדי לפנות את מרחב המחיה שלהם. זה לא מזיק לאורגניזם האב, אבל רעיל למיקרואורגניזמים אחרים. למעשה, אנשים משתמשים בתכונה זו כדי לטפל בזיהומים חיידקיים שונים. בשל העובדה שבני אדם צורכים צמחים באופן פעיל כמזון, הגוף שלנו מאוכלס בצפיפות במיקרואורגניזמים שונים היוצרים מיקרופלורה. חומרים אלה הם מטבוליטים משניים לא רק של האדם עצמו, אלא גם של אורגניזמים חיים הנכנסים בהכרח לגופנו.

המסנן הטבעי ומדוע הוא שגוי

Xenometabolites הם אנטיביוטיקה, תרכובות שאינן קשורות לפעילות של אורגניזמים חיים.בדרך כלל זה משהו שאדם קיבלבאופן מלאכותי למטרות שונות. לדוגמה, תרופות, תוספי מזון, תוספי תזונה, סימום, תרופות, מוצרי בעירה של טבק, מוצרי אלכוהול או היגיינה, כימיקלים ביתיים, חומרים אקולוגיים. גם אלו הן מולקולות קטנות, והן חודרות לגוף גם בכוונה, במקרה של תרופות, וגם בטעות. למשל, צחצחתם שיניים, בלעתם משחת שיניים – וכך נכנסו למערכת שלכם כימיקלים חדשים. ולרבים מהחומרים הללו יכולות להיות השפעות מסוימות על הגוף שלנו, אפילו בריכוזים קטנים מאוד. יתר על כן, השפעה זו יכולה להיות חיובית או שלילית או להשתנות בהתאם לכמות החומר הזה.

הכבד הוא המחסום הראשון לכניסת כימיקלים זרים למחזורית המערכתית.הוא מנסה לסנן מולקולות כאלההגוף ייפגע ויסיר אותם, וימנע מהם להשתחרר עוד יותר דרך זרם הדם לאיברים. לכבד יש מנגנוני סינון רבים, אבל אף אחד מהם לא עובד ב-100%: אחרת לא תהיה הרעלה והשלכות חמורות של נטילת רעלים או תרופות כלשהן. עם זאת, הכבד מנצל את העובדה שהגוף שלנו הוא ברובו מים, כלומר הוא מורכב מ-80 אחוז מים. לכן, הכבד מנסה למיין את המולקולות למולקולות הידרופיליות, שמתמוססות במים, והידרופוביות. הכבד "מאמין" שאם החומר הוא הידרופילי, אז הוא יכול להשתחרר עוד יותר לתוך מחזור הדם המערכתי, שכן הוא לא אמור לגרום נזק רב. ואם חומר הוא הידרופובי, אז צריך לעשות איתו משהו כדי למנוע ממנו להשתחרר עוד יותר או לפחות להפוך אותו ליותר הידרופילי.

לכבד שני מנגנונים - שלבים מטבוליים.בשלב הראשון, הכבד מנסהחלבונים ואנזימים מיוחדים ממשפחת הציטוכרום P450 מחמצנים את החומרים הללו. כתוצאה מחמצון, מבנה המולקולה משתנה והיא יכולה להפוך להידרופילית יותר. לאחר מכן הכבד יכול לשחרר את המטבוליטים הללו לזרם הדם או לנסות להסיר אותם דרך הכליות דרך השתן או דרך המעיים. אם זה לא עובד, הכבד יכול "לתפור" מולקולות מוכנות, מוכנות מסיסות במים, על גבי מולקולות מחומצנות אלו.

חילוף החומרים בכבד מגביר את המגוון של מולקולות קטנות שיכולות להגיע לגופנו.לדוגמה, בשלב החמצון, יותר מ -500 מולקולות חדשות חדשות אחרות נוצרות באופן תיאורטי ממולקולה אחת; לא ניתן לחזות מי מהן נוצרות ואילו לא.

"אלפבית" אינסופי: מדוע כל כך קשה ללמוד מטבוליטים

ניתן לייצג חומצות גרעין כאלף בית בן חמש אותיות שממנו בנויה מחרוזת טקסט גדולה.כן, כמובן, רצף האותיות בזהקו יכול להיות כאוטי יחסית, אם כי במהלך החיים ה-DNA לא משתנה, אלא פשוט מועתק. אז יש לנו הגבלות מסוימות לגבי מה תהיה המחרוזת הזו. במקרה של חלבונים, המצב קצת יותר מסובך: כבר יהיו 20 אותיות באלפבית, כלומר 20 חומצות אמינו שמהן בנויים חלבונים, אבל זה קורה גם באופן לא רצוני. לכן, מנקודת מבטו של החוקר, האובייקטים הללו גם די דומים זה לזה. ובמקרה של מטבוליטים, זה בעייתי ביותר לייחד כל אלפבית: למעשה, זוהי הטבלה המחזורית כולה. ובין כללי היווצרות - רק כלל הערכיות. בנוסף, ישנה תכונה של כימיה של פחמן המאפשרת לשני אטומי פחמן להיקשר זה לזה ולאחר מכן להוסיף מספר בלתי מוגבל של אטומי פחמן או אטומים אחרים מהטבלה המחזורית, מה שמוביל למגוון כימי עצום של מולקולות כאלה.

כדי ללמוד מולקולות קטנות כאלה וכל מגווןן, יש צורך בשיטות מיוחדות.יש פשוטים:למשל ניתוח אורגנולפטי, שכל מי שעשה בדיקת דם או שתן כללית וראה שיש קו "ריח, צבע" בכיוון נתקל בו. כאשר יש צורך למצוא מולקולה ספציפית בתמיסה, מוסיפים טיפה מגיב שנבחר מראש. אם הייתה מולקולה בתמיסה, תתרחש צביעה; אם לא, יופיע רק משקעים. בין השיטות הפשוטות ישנה גם ספקטרוסקופיה אופטית, כאשר ניתן באמצעות מיקרוסקופ להסיק מסקנות ממבנה המשקעים. די פופולריות כעת הן שיטות אימונוכימיות: זו אותה בדיקת ELISA ל-COVID-19.

מחקרי Omics הם אותם מחקרים החוקרים אוכלוסייה שלמה.והמטבוליזם מרמז על ניתוח של גדוליםנתונים המייצגים את מכלול המולקולות הקטנות באורגניזם, תא או איבר. מכלול הנתונים הללו משתנה, על פי הערכות שונות, מכמה אלפים, אם ניקח בחשבון רק את המטבוליטים הראשוניים, לכמה עשרות אלפים, אם נוסיף להם מטבוליטים משניים של צמחים, חיידקים ופטריות ידועים. למעשה, עד כמה מאות מיליון, אם ניקח בחשבון את כל המגוון הכימי שיכול להיכנס לגוף האדם. וכדי ללמוד אותם, יש צורך בשיטות מיוחדות: ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) וספקטרומטריית מסה.

במהלך ההיסטוריה של NMR של 80 שנה, מדענים המעורבים בשיטה זו קיבלו חמישה פרסי נובל.ארבע - ל-NMR, והחמישי - ל-הדמיה בתהודה מגנטית. שיטה שונה מעט מספקטרוסקופיה של NMR, אך דומה מאוד בעקרון. שיטת ה-NMR מבוססת על העובדה שלחלק מהאטומים בטבלה המחזורית יש מומנט מגנטי שאינו אפס. הם מגנטים קטנים ויכולים לקיים אינטראקציה עם שדה מגנטי חיצוני. אינטראקציה זו מתבטאת בפיצול רמות האנרגיה. שיטת ה-NMR מאפשרת להבחין בין אטומים שונים לבין אטומים של אותו יסוד, אך בסביבות שונות. לאחרונה, NMR איבדה פופולריות, בעיקר בשל עלותו הגבוהה.

כיצד להכין חלקיקים טעונים מתערובת מורכבת ולברר את הרכבם

ספקטרומטריית מסה היא שיטה להפרדת חלקיקים טעונים על ידי אינטראקציה עם שדה אלקטרומגנטי.אם ניקח איזו תערובת מורכבת המורכבת מחלקיקים טעונים שונים, וכמעט כל מולקולה בשיטות ספקטרומטריית מסה מודרניות ניתן להמיר לצורה טעונה על ידי הוספת פרוטון אליה או הוצאת פרוטון ממנה, והחלת שדה אלקטרומגנטי על התערובת הזו, ואז החלקיקים בשדה זה יתחילו לזוז ויהיה להם או מהירות, או מסלול בהתאם למסה. חלקיקים קלים יגיעו לגלאי מוקדם יותר מאשר כבדים. לאחר עיבוד הנתונים מהגלאי מתקבל ספקטרום מסה שבו לאורך ציר Y תהיה עוצמת האות, שהיא פרופורציונלית למספר היונים, ולאורך ציר X - המסה ביונים, או יותר נכון, היחס בין מסה למטען. יתר על כן, ספקטרומטריית מסה מאפשרת לך למדוד מסה בדיוק גבוה מאוד. המשמעות היא שניתן לקבוע באופן חד משמעי את הרכב היסודות של היון, החלקיקים הטעונים או המולקולה שמהם הוא נוצר. מבחינה מתמטית, זה נקרא פתרון המשוואה הדיופנטית במספרים שלמים: למעשה, מדובר במבחר של מקדמים ליד כל אטום: m(C), m(H), k(O), z(N). ורק שילוב אחד של מספרים שלמים m, n, k, z יכול לתת את המסה הנמדדת על ידי ספקטרומטר המסה.

שיטת ספקטרומטריית המונים הוצעה בתחילת המאה העשרים על ידי תומפסון.מדענים הרכיבו את ספקטרומטר המסה הראשון בעולם ובעזרתו הוא גילה תגלית גדולה: הוא אישר בניסוי את קיומם של איזוטופים. מצד שני, הוא לא הצליח לתת פרשנות נכונה לתוצאותיו. תלמידו ויליאם אסטון עשה זאת עבורו: בשנת 1922 הוא קיבל את פרס נובל על תגלית זו. במאה ה-20, עקב שורה של מלחמות עולם, התפתחה ספקטרומטריית המונים כשיטה לצבא. בתחילת הפיתוח, הוא מצא את היישום העיקרי שלו בתעשייה הגרעינית. מכיוון שספקטרומטריית מסה יכולה להפריד חומרים לפי מסה ולקבוע איזוטופים, ניתן להשתמש בה כדי להפריד איזוטופים כמו אורניום. שני פרסי נובל נוספים הוענקו עבור ספקטרומטריית המונים: ב-1989 - וולפגנג פול והנס דהמלט, ולאחר מכן ב-2002 - בוצעה מהפכה אמיתית באופן עצמאי על ידי ג'ון פן וקאישי טנאקה. הם הציעו שיטה משלהם שמאפשרת להשיג חלקיק טעון ממולקולת פולימר גדולה: מחלבונים או מחומצות גרעין, מבלי להרוס אותו. זה נתן תנופה למחקר. כעת אף מעבדה אחת - מעבדה ביוכימית או מולקולרית - יכולה לפעול ללא ספקטרומטר מסה משלה או ללא מרכז שימוש משותף מצויד היטב במכון.

לאחר שקבענו את המסה של יון, נוכל לקבוע רק את הרכב היסודות, אך לא את מבנה המולקולות.מכיוון שהרכב אלמנטרי אחד של מבנים שונים יכול להתאים למספר עצום. כלומר, ניתן לסדר את האטומים במולקולה בדרכים שונות. זה נקרא תופעת האיזומריזם.

ספקטרומטריסטים המוניים מצאו שיטה המאפשרת לך לקבל קצת יותר מידע על מבנה המולקולה: מכשול מסוים מוצב בנתיב של מולקולות מואצות מעופפות.בדרך כלל אלו מולקולות גז.כאשר המולקולות מתנגשות במולקולות הגז הללו, הן יכולות להתפרק מההתנגשות. ואז ספקטרומטר המסה מודד את המסה לא של המולקולה המקורית, אלא של החלקים שלתוכם היא התפרקה. והדעיכה הזו אינה מתרחשת באופן אקראי, אלא לאורך הקשרים החלשים ביותר במולקולה. השברים המתקבלים זהים, והם טביעות אצבע מולקולריות: ייחודיות לכל מולקולה.

כרומטוגרפיה היא שיטה להפרדת חומרים המבוססת על האינטראקציה שלהם עם סופגנים.סורבנטים הם משהו שיכול לספוגכימיקלים אחרים, והפשוט ביותר הוא פחמן פעיל, אותו אנו לוקחים בעת הרעלה. בתחילת המאה ה-20, המדען הרוסי מיכאיל צוות הדגים שאם צבע טבעי כזה יועבר דרך עמוד מלא בגיר, אז במקום כתם ירוק אחד גדול מרוח, תקבלו כמה כתמים מרובי צבעים: מצהוב ועד ירוק. לפיכך, הוא, ראשית, הבין שהצבע הירוק מהעלים הוא תערובת של חומרים שונים. ושנית, הוא גילה את הכרומטוגרפיה, שבשנת 1952 זכו מדענים אחרים שהביאו את שיטתו לצורה מודרנית כלשהי בפרס נובל. בכרומטוגרפיה מודרנית, תערובת מועברת בעמודה באמצעות נוזל או גז, בהתאם לסוג הכרומטוגרפיה. הנוזל "גורר" את המולקולות קדימה, לכיוון היציאה מהעמוד, והסופח מפריע לכל מולקולה בדרכים שונות. בסופו של דבר הם עוזבים את העמוד בזמנים שונים, אותם ניתן להקליט ולהשתמש כטביעת אצבע נוספת לזיהוי.

מבדיקת נוזל מוחי עד שיטת דם יבש

ספקטרומטריית המונים היא השיטה היחידה הקיימת כיום לחקר נוזל מוחי.במקרים מסוימים קשים לאבחוןמחלות, נדרש ניקור, עמוד השדרה נלקח ונלקחת דגימה של נוזל מוחי. אבל הבעיה היא שבממוצע לאדם יש רק 120 מ"ל של נוזל מוחי. והנוזל הזה נמצא בלחץ, אז נטילת אפילו 1 מ"ל משפיעה משמעותית על הלחץ הזה ועלולה להוביל לתוצאות בלתי הפיכות על הגוף. לכן, במציאות, ניתן לדגום רק כמה מיקרוליטר. אף אחת מהשיטות הקיימות מלבד ספקטרומטריית מסה לא יכולה להתמודד עם כמויות קטנות כל כך של דגימות, מכיוון שככל שהדגימה קטנה יותר, כך יש לה פחות מולקולות והציוד שלך צריך להיות רגיש יותר. הרגישות של ספקטרומטריית מסה מספיקה בדרך כלל לכך. לאחר האיסוף, הדגימה מוסרת מתכלילים מכאניים וחלבונים כדי למנוע תקלות בציוד. לאחר הניתוח, התוצאה מעובדת באמצעות מחשב ומתקבלת "רשימת תכונות": הפלט הוא כ-10-15 אלף שורות. העמודות מייצרות נוסחה שאנו מגדירים במסה מדויקת, עוצמה פרופורציונלית לכמות אותה מולקולה ו"טביעת אצבע".

השיטה הישירה ביותר ליישם זאתניסוי ספקטרומטריית מסה מטבולומית - השוואה בין אנשים חולים ובריאים כדי לזהות אילו מולקולות מופיעות, מופיעות ומשנות את הריכוז שלהן כאשר מתרחש הבדל כזה.בדרך כלל יש שתי קבוצות:אנשים בריאים ואנשים עם מחלה שמעניינת אותנו, למשל, עם צורה ספציפית של אונקולוגיה. עבור כל דגימה מתקבלים לוחות כאלה, ואז מתמטיקאים משווים ומדמיינים אותם כדי למצוא הבדלים ביניהם.

היישום הראשון של ספקטרומטריית המונים הוא בבדיקות ילודים.כל יילוד, לפי הוראת משרד הבריאות עם2006, הם נדרשים לבצע בדיקה עבור קבוצה מסוימת של מחלות תורשתיות. כעת, בכל מקרה, במוסקבה בודקים לפחות 16 מחלות שונות. ישנן מחלות כאלה, ולעתים קרובות הן באות לידי ביטוי כבר מהדקות הראשונות של החיים, שאם לא עוצרים אותן בזמן, תוך שבוע או כמה ימים עלולות להפוך את הילד לנכה לכל החיים. לכן, אבחון כזה חייב להתבצע במהלך השעות הראשונות לחייו של יילוד. הסמנים הביולוגיים של כמעט כל המחלות הללו הם מטבוליטים של מולקולות קטנות. כלומר, מחלות מתבטאות בצורה של שיבושים בחילוף החומרים, למשל, הצטברות של חומצות אורגניות מסוימות בדם או שומנים מסוימים. ומטבע הדברים, הצטברות זו מתרחשת בריכוזים קטנים מאוד; מהם יש צורך לזהות את ההבדל בשינויים בחילוף החומרים. לכן, מלבד ספקטרומטריית מסה, שום שיטה אחרת לא תעבוד כאן.

כדי לפתור את בעיית איסוף הדם מילדים (לא כמות כל כך גדולה של דם ופחד של ילדים משיטות פולשניות ורופאים), הם הגיעו עם טכנולוגיה לניתוח כתמי דם יבשים.נעשה פנצ'ר קטן ואחד או יותרשתי טיפות דם ישירות על פיסת נייר סינון קטנה. נפח הדם כאן הוא כמה מיקרוליטר. לאחר מכן מייבשים את הכרטיס הזה ונשלח למעבדה, וגם השליחה נוחה מאוד: אין צורך להקפיא או להפשיר את הדגימה. פשוט ממיסים מחדש את הכרטיס הזה לניתוח, ותוך כמה שעות הניתוח מוכן.

תחום יישום נוסף לספקטרומטריית המונים הוא רפואה מותאמת אישית.כל החומרים שלנו הולכים לכבד, ולכבדאיכשהו גורם לחילוף חומרים. יתרה מכך, הכבדים שלנו פועלים אחרת עבור כולנו, לא רק בגלל כמה מחלות או הרגלים רעים. לדוגמה, מיץ אשכוליות יכול להשפיע באופן משמעותי על חילוף החומרים שלך; הוא מעכב חלק מהאנזימים וכתוצאה מכך, ריכוז התרופות שלך עשוי להיות גבוה פי כמה מהצפוי. לחלק מהאנשים יהיה ריכוז זה בדם לאחר נטילת התרופה, בעוד שלאחרים יהיה ריכוז פי שניים. מסתבר שצריך להפחית בחצי את המינון כדי לא לגרום נזק מיותר לגוף. מכאן המעבר לרפואה מותאמת אישית. אתה לוקח כדור, הדם שלך נלקח כל שעה והם מסתכלים על העקומה: איך החומר עובר בגוף שלך לאורך זמן, מה הריכוז שלו בדם. לאחר מכן הרופא יכול להתאים את המינון או אפילו להפסיק את התרופה עבורך ולרשום תרופה נוספת. ובמקרה זה, נעשה שימוש פעיל מאוד בניתוח דם יבש.

כל תרופה חדשה שנכנסת לשוק עוברת בהכרח שלב מחקר מטבולי.תרופות מסוימות עשויות להיות לא רעילות במיוחד,אבל כתוצאה מהתמוטטות בכבד וכמה טעויות, חומרים אלה יכולים להפוך לרעילים אפילו יותר. הדוגמה הפשוטה ביותר היא אקמול. ההוראות של אקמול אומרות שאסור לתת אותו לילדים צעירים. שיש לתת לילדים צעירים רק איבופרופן. והסיבה לכך היא הצטברות של מולקולה זו בכבד, שכתוצאה מחילוף החומרים, יש השפעה רעילה. עבור מבוגר עם כבד מפותח, אפקט רעיל זה אינו מורגש במיוחד, אם כי, כמובן, אתה לא צריך לבלוע אקמול גם בצנצנות. עבור ילדים צעירים, זה, למעשה, יכול להוביל לכל מיני השלכות לא נעימות ואפילו בלתי הפיכות. לכן, כל תרופה חדשה חייבת להיחקר למטבוליזם.

הדמיה היא דרך התנהלותניתוח ספקטרומטרי מסה, כאשר אנו מקבלים מידע לא רק על דגימה הומוגנית, אלא גם על דגימה הטרוגנית, ונוכל לחקור את ההרכב המולקולרי שלה במרחב.יש דוגמא כל כך מעניינת ללימודהתפלגות התרופה ומטבוליטים שלה בגוף החולדה. הניסוי מתבצע כדלקמן: חולדה ניתנת לתרופה מסוימת, לאחר מספר שעות מורדמת החיה ואז החיה נחתכת דק לאורך כל הגוף. ואז טכניקה מיוחדת של ספקטרומטריית מסה מאפשרת לך ללמוד את ההרכב המולקולרי של כל נקודה של מדגם זה. לאחר עיבוד מחשב אפשר לדמיין היכן הצטברו המטבוליטים. חשוב ללמוד את התפלגות המטבוליטים, כי אם אתה לוקח תרופה לדלקת ריאות, חשוב שהיא תגיע לריאות ולא במוח. איזמל ספקטרומטרי המוני הוא "סכין" השואב מולקולות מחוץ לאתר החתך, ולאחר מכן, בעזרת טכנולוגיית מחשב, ניתן לקבוע איזה מנתח חותך את הרקמה: רקמה חולה או בריאה. שיטה זו מיושמת כעת בארצות הברית, והניתוח האמיתי הראשון עם סכין שכזו כבר בוצע.

טביעות אצבע לכל מולקולה

הבעיה היא שכמה מאות ואפילו אלפי תרכובות כימיות יכולות להתאים להרכב יסודי אחד.לכן יש צורך לזהות את כל השורותטבלאות, וזו המשימה העיקרית של ניתוח מטבולומי מודרני; למרבה הצער, היא לא נפתרה במלואה. טביעות האצבע המולקולריות מושווים לאלו שנמצאו במאגרי מידע של מולקולות כימיות. אם הם תואמים, אז נוכל לומר בביטחון מסוים שזו המולקולה הנכונה. אבל מאגרי מידע כאלה מכילים מספר מצומצם מאוד של חומרים. מאגר טביעות האצבע המלא מכיל כ-20-30 אלף תרכובות; הוא אפילו לא מכסה את כל המטבוליטים הראשוניים והמשניים הקיימים בגוף האדם. יש עוד בעיה: כדי לחדש את מסד הנתונים הזה, אתה צריך חומר כימי טהור, והם בדרך כלל יקרים. כלומר, כימיקל טהור אחד עולה בדרך כלל כמה עשרות או מאות דולרים.

גישה אחת לזיהוי היא יצירת טביעות אצבע חדשות.לדוגמה, השיטה נמצאת כעת בפיתוח אקטיביספקטרומטריית ניידות יונים. בעוד שספקטרומטריית מסה מחלקת יונים לפי מסה, ניידות יונים מאפשרת להפריד ביניהם לפי גודל. כלומר, אם יש לך שני רצים - לא אחד כבד ואחד קל, אלא אחד גדול ואחד קטן, ושם לך איזה מכשול בדרך - למשל, רשת עם תאים, אז ספורטאי דק לזחול במהירות דרך הרשת הזו ולהגיע לקו הסיום, אבל שמנה עד שהוא ייצא מהרשת הזו, הוא יבוא בריצה לאחר זמן מה.

השיטה השנייה היא לנסות למצוא טביעות אצבע שאינן דורשות סטנדרטים נקיים לזיהוי.במעבדה אנו מציעים להשתמש במה שנקרא חילופי איזוטופים.

למשל, אם נסתכל על מולקולה כזו, אזנראה שיש לו אטומי מימן הקשורים לחמצן. אז הם מיוחדים. הם יכולים לעזוב את המולקולה הזו ולחזור אליה. אם יש לנו מולקולה זו מומסת במים, אז מימן יכול לעזוב את המולקולה, ומימן יכול לחזור מהמים. ואם ניקח לא רק מים, אלא מים כבדים, שבהם במקום מימן יש דוטריום, אז מימן יכול לעזוב את המולקולה, ודוטריום יכול לתפוס את מקומה. ידוע שדויטריום שונה מהמימן במשקל המולקולרי ליחידה, וספקטרומטר מסה יכול לראות שינוי כזה. פשוט על ידי ספירת מספר המימנים כאלה, אנו יכולים לומר האם זו מולקולה הכרחית או מיותרת, אם זיהינו אותה נכון או לא.

ניתן להשתמש בבינה מלאכותית לזיהוי מולקולות.בהתבסס על המידע הזמין, אתה יכול להשליםמסדי נתונים של מידע חסר תוך שימוש בשיטות למידה עמוקה. כלומר, אנו מאמנים את המודל, והוא מנבא את טביעות האצבע הדרושות על סמך מבנה המולקולה, שבהן נוכל להשתמש כדי להשוות עם מה שהתקבל בניסוי.

ראה גם:

אוראנוס קיבל את מעמדו של כוכב הלכת המוזר ביותר במערכת השמש. למה?

בני אדם יכולים לעמוד בטמפרטורות נמוכות מאוד גם ללא מקורות חום

פיזיקאים יצרו אנלוגיה של חור שחור ואישרו את התיאוריה של הוקינג. לאן זה מוביל?