スコルテックの質量分析研究所は、ロシア科学アカデミーの対応するメンバーが所長を務めています。
ライフプロセス構築の中心にあるもの
DNAは、体がどのように見え、機能するかについての情報を格納する長いポリマー鎖です。つまり、私たちが他の種とどのように違うのかということですそして、同じ種の 2 つの個体が互いにどのように異なるのか。これらの分子が私たちの独自性を決定します。例を挙げましょう。毛虫とそれが成長する蝶です。彼らの DNA 分子は異なると思いますか、それとも同じだと思いますか?実際、正しい答えは「同じ」です。遺伝情報は生涯を通じてまったく変わりません。実際のところ、イモムシとチョウは結局なぜ違うのでしょうか？なぜなら、DNAに保存されているすべての情報が同時に認識されるわけではないからです。実装は転写プロセスを通じて行われ、その結果、個々の遺伝子を読み取った後、メッセンジャー RNA がタンパク質の合成を可能にします。
タンパク質は私たちの体の中で普遍的な分子機械であり、建設から規制までさまざまな機能を実行します。人生の時代遅れの定義の 1 つは、タンパク質分子の秩序ある存在と相互作用。しかし問題は、タンパク質の分子も大きいことです。タンパク質もまた、通常 10 から数百キロダルトンの大きな分子量を持つポリマー分子です。そして、それらの上に基本的な生命プロセスを構築することは非常に問題があります。なぜなら、それらは温度や外部環境の変化に非常に敏感だからです。そしておそらくこれが、細胞内のほとんどすべての重要なプロセスが低分子を通じて実現される理由です。そして、小分子の相互変換はすでにタンパク質によって制御されています。これらの小さな分子の分子量は数十から数百キロダルトンです。生物体内に存在するすべての小分子は代謝産物と呼ばれます。
1ダルトン、または1原子質量単位（amu）- 分子、原子、原子核、素粒子の質量に使用される質量の系外単位。
1a。単位= 1.660 539 066 60（50）・10−27kg。
一次代謝物は、体のすべての細胞に見られる化学物質であり、重要なプロセスの維持に必要です。すべてのポリマー分子、タンパク質、核酸。これらの代謝産物は、1 つの生物のすべての細胞で同じです。一生の間、代謝産物は、たとえばエネルギー伝達の目的で相互に変換されます。そして、これらの変換経路、つまり変換連鎖は代謝経路と呼ばれます。
クレブス回路、またはトリカルボン酸回路は、細胞呼吸のプロセスに関与しています。
人体のさまざまな代謝経路が交差します。つまり、共通の参加者がいます。したがって、代謝産物で発生するすべてのプロセスは相互に関連しています。
二次代謝産物は、すべての細胞がその重要な機能を確保するために必要なわけではない物質です。通常、状況に適応するために使用されます外部環境。たとえば、コーヒーの木は葉を害虫から守るためにカフェインを生成します。それらはコーヒーの木の葉を食べる甲虫にとって有毒です。しかし、何らかの方法で植物からカフェインをすべて取り除けば、植物は生き続けるでしょう。重要なプロセスが中断されることはありません。 2 番目の例は抗生物質です。ペニシリンが最初の抗生物質であることはご存知のとおり、これは完全に偶然にカビから単離され、医学に革命をもたらしました。カビはペニシリンを使用して生存空間を浄化します。親生物には無害ですが、他の微生物には有毒です。実際、人々はこの性質を利用してさまざまな細菌感染症を治療しています。人間が積極的に植物を食物として摂取するという事実により、私たちの体には微生物叢を形成するさまざまな微生物が密集しています。これらの物質は、本人だけでなく、必然的に私たちの体内に入る生物の二次代謝物でもあります。
自然なフィルターとそれが間違っている理由
異種代謝物は抗生物質であり、生物の活動とは関係のない化合物です。それは通常、人が受け取ったものですさまざまな目的のために人工的に。たとえば、医薬品、食品添加物、栄養補助食品、ドーピング、薬物、タバコ燃焼生成物、アルコールまたは衛生製品、家庭用化学物質、環境毒性物質などです。これらも低分子であり、薬物の場合は意図的に、または偶然に体内に入ります。たとえば、歯を磨いたり、歯磨き粉を飲み込んだりすると、新しい化学物質が体内に侵入するようになります。そして、これらの物質の多くは、たとえ非常に低い濃度であっても、私たちの体に何らかの影響を与える可能性があります。さらに、この効果はプラスまたはマイナスのいずれかになる可能性があり、この物質の量に応じて変化します。
肝臓は、外来化学物質が全身循環に入るのを妨げる最初の障壁です。分子をフィルタリングして取り除こうとします。体は損傷を受けてそれらを除去し、血流を通じて臓器にさらに放出されるのを防ぎます。肝臓には多くの濾過機構がありますが、そのどれもが 100% 機能するわけではありません。そうでなければ、毒素や薬物を摂取しても中毒や重大な結果が生じることはありません。しかし、肝臓は、私たちの体の大部分が水、つまり80パーセントが水で構成されているという事実を利用します。そこで、肝臓は分子を水に溶ける親水性分子と疎水性分子に分類しようとします。肝臓は、その物質が親水性であれば、あまり害を及ぼさないはずなので、さらに体循環に放出できると「信じています」。そして、その物質が疎水性であれば、それ以上放出されないようにするか、少なくとも親水性を高めるために何かをする必要があります。
肝臓には代謝段階という 2 つのメカニズムがあります。最初の段階では、肝臓は次のことを試みます。シトクロム P450 ファミリーの特別なタンパク質と酵素がこれらの物質を酸化します。酸化の結果、分子の構造が変化し、より親水性が高くなります。その後、肝臓はこれらの代謝産物を血流に放出したり、腎臓から尿や腸を通して除去しようとします。これが機能しない場合、肝臓はこれらの酸化分子に既製の保証された水溶性分子を「縫い付ける」ことができます。
肝臓の代謝により、私たちの体内に到達する可能性のある小分子の多様性が増加します。たとえば、酸化の段階では、理論的には1つの分子から500を超える新しい他の分子が形成されます。これらのうち、どれが形成され、どれが形成されないかを予測することはできません。
無限のアルファベット：代謝物の研究が非常に難しい理由
核酸は、大きなテキスト文字列を構成する5文字のアルファベットとして表すことができます。はい、もちろん、この文字列はDNA は生涯変化せず、単にコピーされるだけですが、系統は比較的混沌としている可能性があります。したがって、この文字列が何になるかについては一定の制限があります。タンパク質の場合、状況はもう少し複雑です。アルファベットにはすでに 20 文字、つまりタンパク質を構成する 20 個のアミノ酸が存在しますが、これも無意識に起こります。したがって、研究者の観点から見ると、これらのオブジェクトは互いに非常によく似ています。そして代謝物の場合、アルファベットを 1 つだけ取り上げるのは非常に問題があります。実際、これは周期表全体です。そして、形成の規則の中では、価数の規則だけです。さらに、炭素化学には、2 つの炭素原子が互いに結合し、その後、周期表にある無制限の数の炭素原子または他の原子が追加されることが可能になり、そのような分子の膨大な化学的多様性が生じるという特徴があります。
このような小分子とそのすべての種類を研究するには、特別な方法が必要です。簡単なものもあります:たとえば、一般的な血液検査や尿検査を受けて、その方向に「匂い、色」という線があるのを見た人なら誰でも遭遇したことがある官能分析です。溶液中の特定の分子を見つける必要がある場合は、事前に選択した試薬を 1 滴加えます。溶液中に分子があれば着色が起こり、分子がなければ沈殿のみが現れます。簡単な方法の中には、顕微鏡を使用して堆積物の構造から結論を引き出すことができる光学分光法もあります。現在非常に人気があるのは免疫化学的方法です。これは、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の ELISA 検査と同じです。
オミクス研究は、完全な集団を研究する研究です。そしてメタボロミクスは大規模な分析を意味します生物、細胞、または器官内の小分子の完全なセットを表すデータ。これらのデータのセットは、一次代謝物のみを考慮した場合の数千から、既知の植物、細菌、真菌の二次代謝産物を追加した場合の数万まで、さまざまな推定値によって異なります。実際、人体に侵入する可能性のあるすべての化学的多様性を考慮に入れると、最大で数億になります。そしてそれらを研究するには、核磁気共鳴（NMR）分光法と質量分析法という特別な方法が必要です。
NMRの80年の歴史の中で、この方法に携わる科学者は5つのノーベル賞を受賞しています。4 つは NMR 用、5 つは NMR 用磁気共鳴画像。 NMR分光法とは若干異なる方法ですが、原理的には非常に似ています。 NMR 法は、周期表内の一部の原子がゼロではない磁気モーメントを持つという事実に基づいています。これらは小さな磁石であり、外部磁場と相互作用することができます。この相互作用は、エネルギーレベルの分裂として現れます。 NMR 法を使用すると、異なる原子と、異なる環境にある同じ元素の原子を区別することができます。最近では、主にコストが高いため、NMR の人気は失われてきています。
複雑な混合物から荷電粒子を作り、それらの組成を見つける方法
質量分析は、電磁場と相互作用することによって荷電粒子を分離する方法です。以下からなる複雑な混合物を取ると、さまざまな荷電粒子であり、最新の質量分析法を使用すると、ほとんどすべての分子は、それに陽子を追加するか陽子を除去し、この混合物に電磁場を適用することによって、荷電した形に変換できます。その後、この場の粒子が形成され始めます。移動すると、質量に応じて速度または軌道が決まります。軽い粒子は重い粒子よりも早く検出器に到着します。検出器からのデータを処理した後、質量スペクトルが得られます。Y 軸にはイオンの数に比例する信号強度が表示され、X 軸にはイオンの質量が表示されます。質量と電荷の比。さらに、質量分析法を使用すると、非常に高い精度で質量を測定できます。これは、イオン、荷電粒子、またはそれが形成された分子の元素組成を明確に確立できることを意味します。数学的には、これはディオファントス方程式を整数で解くと呼ばれます。実際、これは各原子付近の係数の選択です: m(C)、m(H)、k(O)、z(N)。そして、整数 m、n、k、z の 1 つの組み合わせだけが、質量分析計によって測定される質量を与えることができます。
質量分析の方法は、20世紀の初めにトンプソンによって提案されました。科学者たちは世界初の質量分析計を組み立て、彼の助けにより、彼は偉大な発見をしました。同位体の存在を実験的に確認しました。その一方で、彼は結果を正しく解釈することができませんでした。彼の学生ウィリアム・アストンがこれを行い、1922 年にこの発見により彼はノーベル賞を受賞しました。 20 世紀、一連の世界大戦のため、質量分析法は軍事用の手法として発展しました。開発の初期段階では、原子力産業に主な用途が見出されていました。質量分析法は物質を質量で分離し、同位体を決定できるため、ウランなどの同位体の分離に使用できます。質量分析に関してはさらに 2 つのノーベル賞が授与されました。1989 年にはヴォルフガング・パウルとハンス・デメルト、そして 2002 年にはジョン・フェンと田中開志によって真の革命が独立して行われました。彼らは、大きなポリマー分子、つまりタンパク質や核酸から、それを破壊することなく荷電粒子を得ることができる独自の方法を提案しました。これが研究に弾みを与えた。現在、生化学研究所や分子生物学研究所など、どの研究所も、独自の質量分析計がなければ、あるいは研究所内に設備の整った共用センターがなければ運営できません。
イオンの質量を決定すると、元素組成のみを決定でき、分子の構造は決定できません。異なる構造の 1 つの元素組成が膨大な数に対応する可能性があるためです。つまり、分子内の原子はさまざまな方法で配置できます。これを異性化現象といいます。
質量分析計は、分子の構造についてもう少し情報を得ることができる方法を考え出しました。特定の障害物が、加速された分子の飛行経路に配置されます。通常、これらは気体分子です。分子がこれらのガス分子と衝突すると、衝突によって分子がバラバラになる可能性があります。そして、質量分析計は、元の分子の質量ではなく、それが分割された部分の質量を測定します。そしてこの崩壊はランダムに起こるのではなく、分子内の最も弱い結合に沿って起こります。結果として生じるフラグメントは同一であり、それらは各分子に固有の分子フィンガープリントです。
クロマトグラフィーは、吸着剤との相互作用に基づいて物質を分離する方法です。吸着剤は吸収するものです他の化学物質、そして最も単純なものは、中毒のときに摂取する活性炭です。 20世紀初頭、ロシアの科学者ミハイル・ツヴェットは、このような天然染料をチョークで満たしたカラムに通すと、1つの大きな緑色の汚れの代わりに、黄色から紫まで、いくつかの多色の斑点ができることを実証しました。緑。こうして彼は、葉から得られる緑色の染料が異なる物質の混合物であることに初めて気づきました。そして第二に、彼はクロマトグラフィーを発見し、1952 年に彼の方法を現代的な形に変えた他の科学者がノーベル賞を受賞しました。最新のクロマトグラフィーでは、クロマトグラフィーの種類に応じて、液体または気体を使用して混合物をカラムに通過させます。液体は分子をカラムの出口に向かって前方に「引きずり」、吸着剤はさまざまな方法で各分子に干渉します。それらは最終的に異なる時間に列を離れ、記録され、識別のための別の指紋として使用されます。
脳脊髄液検査から乾血法まで
質量分析は、脳脊髄液を研究するために現在利用可能な唯一の方法です。診断が難しい場合もあります病気の場合は穿刺が必要で、脊椎に穴を開けて脳脊髄液のサンプルを採取します。しかし問題は、人間の脳脊髄液が平均して 120 ml しかないことです。そして、この液体には圧力がかかっているため、たとえ 1 ml 摂取してもこの圧力に大きな影響を及ぼし、身体に取り返しのつかない結果をもたらす可能性があります。したがって、実際には数マイクロリットルしかサンプリングできません。質量分析法を除く既存の方法では、このような少量のサンプルを処理することはできません。これは、サンプルが小さくなればなるほど、含まれる分子の数が減り、必要な機器の感度が高くなるためです。通常、これには質量分析の感度で十分です。収集後、機器の故障を避けるために、サンプルは機械的異物やタンパク質から取り除かれます。分析後、結果はコンピュータを使用して処理され、「特徴のリスト」が取得されます。出力は約 10 ～ 15,000 行です。これらの列は、正確な質量、その分子の量に比例する強度、および「フィンガープリント」で定義した式を生成します。
これを適用する最も直接的な方法は、メタボロミクス質量分析実験 - 病気の人々と健康な人々を比較して、そのような違いが生じたときにどの分子が出現し、出現し、濃度が変化するかを特定します。通常、次の 2 つのグループがあります。健康な人と、特定の腫瘍学など、私たちにとって関心のある病気を患っている人です。サンプルごとにそのようなプレートが取得され、数学者はそれらを比較および視覚化して、それらの間の違いを見つけます。
質量分析の最初のアプリケーションは、新生児スクリーニングです。保健省の命令により、新生児ごとに2006年には、特定の遺伝性疾患の検査が義務付けられました。いずれにせよ、モスクワでは少なくとも16種類の病気の検査が行われている。そのような病気があり、多くの場合、生後数分から発症し、時間内に止められなければ、1週間または数日でその子供は生涯障害者になる可能性があります。したがって、そのような診断は新生児の生後数時間以内に行われなければなりません。これらの病気のほぼすべてのバイオマーカーは、小分子の代謝産物です。つまり、病気は代謝の混乱、たとえば血液中の特定の有機酸や特定の脂質の蓄積という形で現れます。そして当然のことながら、この蓄積は非常に低濃度で発生するため、代謝の変化の違いを認識する必要があります。したがって、ここでは質量分析以外に他の方法は機能しません。
子どもからの血液採取の問題（それほど大量の血液ではないこと、侵襲的な方法や医師に対する子どもの恐怖心）を解決するために、彼らは乾燥した血液の斑点を分析する技術を考案しました。小さな穴が開けられ、1 つ以上の血液を 2 滴、小さな濾紙に直接滴下します。ここでの血液の量は数マイクロリットルです。その後、このカードは乾燥して研究室に送られますが、サンプルを凍結または解凍する必要がなく、送付も非常に便利です。分析のためにこのカードを再溶解するだけで、数時間以内に分析が完了します。
質量分析の別の応用分野は個別化医療です。私たちの物質はすべて肝臓に行きます、そして肝臓は何らかの形でそれらを代謝します。さらに、肝臓の働きは人によって異なります。これは、病気や悪い習慣のせいだけではありません。たとえば、グレープフルーツ ジュースは代謝に大きな影響を与える可能性があり、一部の酵素を阻害するため、一部の薬物の濃度が予想より数倍高くなる可能性があります。薬を服用した後の血中濃度がこの濃度になる人もいますが、2 倍の濃度になる人もいます。体に不必要な害を与えないように、投与量を半分にする必要があることがわかりました。したがって、個別化医療への移行です。あなたは錠剤を飲み、1時間ごとに血液を採取し、その物質が時間の経過とともに体内をどのように移動するか、血液中のその濃度はどのくらいかという曲線を調べます。その後、医師は投与量を調整したり、薬を中止して別の薬を処方したりすることもあります。そしてこの場合、乾燥血液分析も非常に積極的に使用されます。
市場に投入される新薬は必ず代謝研究段階を経ます。薬によっては毒性がそれほど強くないものもありますが、しかし、肝臓の故障や何らかのエラーの結果、これらの物質はさらに有毒なものに変化する可能性があります。最も単純な例はパラセタモールです。パラセタモールの説明書には、幼児に与えるべきではないと記載されています。幼い子供にはイブプロフェンのみを与えるべきです。そしてその理由は、この分子が肝臓に蓄積することであり、代謝の結果として有毒な影響を及ぼします。肝臓が十分に発達している成人の場合、この毒性作用はそれほど顕著ではありませんが、もちろん、瓶に入ったパラセタモールも飲み込むべきではありません。実際、幼い子供にとって、これはあらゆる種類の不快な、さらには取り返しのつかない結果につながる可能性があります。したがって、すべての新薬は代謝について研究する必要があります。
イメージングは行動の手段です質量分析では、均質なサンプルだけでなく、不均質なサンプルに関する情報も得られ、宇宙でのその分子組成を研究できます。勉強するためのそのような興味深い例がありますラットの体内での薬物とその代謝物の分布。実験は次のように行われます。ラットに特定の薬を与え、数時間後に動物を安楽死させ、次に動物を全身に沿って細かく切ります。そして、質量分析の特別な技術により、このサンプルの各ポイントの分子組成を研究することができます。コンピュータ処理後、どの代謝物が蓄積したかを視覚化することができます。肺炎の薬を服用している場合、それが脳ではなく肺に到達することが重要であるため、代謝物の分布を研究することが重要です。質量分析メスは、切開部位から分子を送り出す「ナイフ」であり、コンピューター技術を使用して、どの外科医が組織を切断しているかを判断することができます。この方法は現在米国で実施されており、このようなナイフを使った最初の実際の操作はすでに実行されています。
各分子のフィンガープリント
問題は、数百または数千もの化合物が1つの元素組成に対応する可能性があることです。したがって、すべての行を識別する必要がありますこれは現代のメタボローム解析の主要なタスクですが、残念ながら完全には解決されていません。分子フィンガープリントは、化学分子のデータベースにあるものと比較されます。それらが一致すれば、これが正しい分子であるとある程度の自信を持って言えます。しかし、そのようなデータベースに含まれる物質の数は非常に限られています。完全な指紋データベースには約 20 ～ 30,000 の化合物が含まれていますが、人体に存在するすべての一次代謝産物と二次代謝産物を網羅しているわけではありません。もう 1 つ問題があります。このデータベースを補充するには純粋な化学物質が必要であり、それらは通常高価です。つまり、純粋な化学物質 1 つには通常、数十ドルから数百ドルの費用がかかります。
識別への 1 つのアプローチは、新しい指紋を作成することです。たとえば、この方法は現在活発に開発されています。イオン移動度分光分析。質量分析ではイオンを質量で分割しますが、イオン移動度ではイオンをサイズで分離できます。つまり、重いランナーと軽いランナーではなく、大きなランナーと小さなランナーがいて、途中に何らかの障害物、たとえばセルのあるネットを置いた場合、細身のアスリートはこの網を素早くくぐり抜けてゴールラインに到達しますが、太った者はこの網から抜け出すまで、しばらくしてから走って来るでしょう。
2番目の方法は、識別にクリーンな標準を必要としない指紋を見つけようとすることです。研究室では、いわゆる同位体交換の使用を提案しています。
たとえば、そのような分子を見ると、酸素に関連する水素原子があることがわかります。だから、彼らは特別です。彼らはこの分子を離れて、それに戻ることができます。この分子を水に溶かすと、水素が分子から出て、水素が水から戻る可能性があります。そして、水だけでなく、水素の代わりに重水素がある重水を摂取すると、水素が分子から出て、重水素がその代わりになる可能性があります。重水素は水素とは単位あたりの分子量が異なることが知られており、質量分析計はそのような変化を見ることができます。そのような水素の数を数えるだけで、これが必要な分子なのか不要な分子なのか、正しく識別できたかどうかがわかります。
人工知能は、分子を識別するために使用できます。入手可能な情報に基づいて、次の作業を完了できます。深層学習手法を使用して欠落情報のデータベースを作成します。つまり、モデルをトレーニングし、分子の構造に基づいて必要なフィンガープリントを予測します。これを使用して、実験で得られたものと比較できます。
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