Визуализация метаболитов с использованием CEST и CSI при развитии семян гороха. Источник: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq4424
Технологии «омики» — геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика — находятся на переднем крае открытий в современной науке о растениях и системной биологии. Однако, в отличие от довольно статичного генома, метаболом и измеряемые в нем продукты очень динамичны. В науке метаболом относится к совокупности всех малых молекул, также известных как метаболиты, в биологической клетке, ткани или организме. Их концентрация, как правило, сильно колеблется как в пространстве, так и во времени.
В области биомедицины одной из самых мощных технологических платформ, позволяющих проводить in vivo метаболические диагностические и функциональные исследования, является ядерно-магнитно-резонансная (ЯМР) томография или магнитно-резонансная томография (МРТ). В науке о растениях подобная перспектива была востребована, но не исследована.
Новый метод исследования растений
Этот метод теперь может быть предоставлен разработкой ученых из Университета Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU) и Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур имени Лейбница (IPK). Перенос насыщения химическим обменом (CEST) — это новый метод для МРТ растений. Этот метод обеспечивает неинвазивный доступ к метаболизму сахаров и аминокислот в сложных акцепторных органах (семена, плоды, стержневые корни и клубни) основных сельскохозяйственных культур (кукуруза, ячмень, горох, картофель, сахарная свекла и сахарный тростник).
За это отвечают Питер М. Якоб, профессор экспериментальной магнитно-резонансной томографии в JMU, и доктор Людмила Борисюк, руководитель рабочей группы по распределению ассимилятов и ЯМР в IPK. Группа представляет результаты своего исследования в последнем выпуске журнала Science Advances.
Как работает CEST
«Обычная визуализация биологической ткани с помощью ЯМР-Н, например, основана на сигналах, в первую очередь исходящих от протонов воды или липидов», — объясняет Якоб, обсуждая предысторию исследовательского проекта. Поскольку концентрация протонов метаболитов по крайней мере на три порядка ниже, чем у воды, для обнаружения метаболитов in vivo требуется эффективное подавление сигнала воды.
Химический обменный перенос насыщения (CEST), подход, используемый в биомедицинской области, может предложить решение. В CEST намагниченность передается от других молекул к молекулам воды, так что эффект насыщения (т. е. уменьшение сигнала), который изначально был на целевых видах, может наблюдаться на воде.
«Таким образом, CEST позволяет обнаруживать различные метаболиты на основе их способности обмениваться протонами с водой, тем самым обеспечивая дополнительный контраст МРТ», — говорит Саймон Майер, первый автор исследования и научный сотрудник Института Лейбница IPK. «Благодаря высокой чувствительности обнаружения сигнала и низкой восприимчивости к неоднородностям магнитного поля CEST анализирует гетерогенные ботанические образцы, недоступные для обычной магнитно-резонансной спектроскопии».
Результаты обнадеживают. «Наши исследования показывают, что CEST — это мощный подход МРТ, который облегчает in vivo метаболический анализ в растениях, позволяя микроскопическое разрешение и динамическую оценку распределения сахара и аминокислот, несмотря на магнитную гетерогенность образцов. Его применение к различным культурам показывает, что CEST — это подход, не зависящий от вида, сорта и органа, для неинвазивной визуализации метаболитов без необходимости предварительной маркировки или обработки образцов», — объясняет доктор Борисюк.
Исследовательская группа продемонстрировала динамику метаболитов в растущих семенах, что невозможно при использовании обычных методов. Селекционеры очень ищут знания о пространственно-временной динамике сахаров и аминокислот в акцепторных органах. Их распределение влияет на массоперенос и метаболизм во многих отношениях; эти знания в конечном итоге переходят в улучшение сельскохозяйственных культур.
Понимание метаболизма живых растений
CEST предлагает беспрецедентные возможности для мониторинга динамических изменений метаболитов в живых растениях. Это особенно важно для более глубокого понимания формирования признаков и поддержки селекционных исследований путем тестирования метаболических реакций in vivo на генную инженерию и/или изменения в развитии.
«Визуализация динамики метаболитов в живых растениях является желаемым инструментом для преодоления структурных и метаболических взаимодействий в реакциях растений на постоянно меняющиеся условия. Таким образом, внедрение CEST, который визуализирует внутреннюю структуру тканей и динамику метаболитов, избегая при этом трассеров, используя только одну технологическую платформу, МРТ, является важной вехой на пути к этой цели».
Дополнительная информация: Саймон Майер и др., Метаболическая визуализация в живых растениях: перспективное поле для переноса насыщения химического обмена (CEST) МРТ, Достижения науки (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq4424
Информация журнала: Достижения науки
Предоставлено Университетом Юлиуса-Максимилианса Вюрцбурга
