Метаболомика: здоровы ли вы или больны? ответ даст анализ метаболизма вашего организма

Ученые из Института биоинформатики и системной биологии Центра Гельмгольца (Мюнхен),   а  также сотрудники Факультета биологии Университета Людвига-Максимиллиана показали, что биологические индикаторы заболеваний, вызванных под влиянием факторов окружающей среды, можно обнаружить при помощи системного анализа метаболизма пациента (метаболомики).

Представленный метод также можно использовать для преклинических испытаний лекарственных средств, он позволяет на ранней стадии обнаруживать возможные побочные эффекты новых препаратов.

Метаболомика направлена на изучение совокупности всех молекул клетки или ткани. Ученые-биоинформатики проанализировали данные, собранные в ходе исследования , проведенного на здоровых и больных диабетом мышах. В каждом случае, животным давали лекарство против диабета – Розиглитазон (RoziglitazoneTM). После этого у 40 мышей в плазме крови было выделено более 800 метаболитов, представляющих факторы «здоров/болен диабетом» и «лекарства принимались/лекарства не принимались». Карстен Сур (Karsten Suhre), руководитель исследования в Центре Гельмгольца, объясняет эти результаты так: «Оказалось, что во многих случаях соотношение между концентрацией определенных метаболитов было более информативно, чем их количественная концентрация». При помощи последующей кластеризации статистических данных о парах метаболитов стало возможным определить группы метаболитов, которые разделяют животных по факторам «здоров/болен» и «лекарство принималось/не принималось».

Результаты показали, что биомаркеры диабета можно определить посредством объективного биоинформатического анализа комплексных метаболомических данных, полученных при помощи экспериментов. Сур добавил: «Такой подход можно использовать в совокупности с новой метаболомической платформой (metaP) Центра Гельмгольца для автоматической идентификации групп существенных биомаркеров болезни. К тому же, используя преклинические исследования эффектов новых лекарств, при помощи метаболомики можно на ранней стадии обнаруживать возможные побочные эффекты, оказываемые препаратом на обмен веществ».

До сих пор генетические методы и транскрипционный анализ оставались лучшими инструментами в исследовании болезней обмена веществ. Теперь, прогресс в области массовой спектроскопии позволяет проводить экстенсивное изучение метаболом. Карстен Сур добавил: «Благодаря скачку в области анализа метаболитов, задачей биоинформатики становится развитие особых численных методов, которые помогут справиться со сложными наборами данных, содержащими огромное количество информации».

Метаболомика: к вопросу о разработке более эффективных антибиотиков

В последнее десятилетие было отмечено серьезное снижение эффективности существующих антибиотиков, что может привести к мировому кризису здравоохранения. Открытие исследователей из Университета Виржинии (University of Virginia) предоставляет врачам и пациентам возможность нового подхода к созданию более эффективных антибиотиков. Это будет связано с метаболомикой.

Метаболомика - сравнительно молодая наука - изучает процессы метаболизма. «Именно она и поможет нам. Поскольку бактерии становятся устойчивыми к существующим классам антибиотиков, со временем возникает недостаток потенциальных молекулярных мишеней в бактериальных клетках, на которые могут подействовать вновь разработанные препараты», говорит Джон Г. Бушвеллер (John H. Bushweller), возглавивший данную работу, результаты которой будут опубликованы в журнале Molecular Cell, «Это опасная ситуация, однако наше открытие является начальным пунктом разработки совершенно нового класса антибиотиков, действующих по принципиально иному механизму».

Профессор Бушвеллер и его коллеги расшифровали структуру мембранного фермента DsbB. Подобные ферменты очень важны – достаточно сказать, что кодирующие их гены занимают около одной трети генома клетки человека и являются молекулярными мишенями более чем половины применяемых сегодня лекарств.

До настоящего времени исследователи не имели достаточно информации о структуре этих белков, в то время как определение структуры белка необходимо для получения представления о его функции и о том, как он может послужить в качестве мишени лекарственного препарата. Профессор Бушвеллер и его научная группа решили эту проблему с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии – основного метода, применяемого при выяснении структуры органических соединений. Этот подход может теперь стать основным в расшифровке строения других связанных с клеточной мембраной молекул.

Фермент DsbB сам по себе является потенциальной мишенью для действия новых мощных антибиотиков, однако ученые видят основной результат своей работы не в этом,   а  именно в методе характеристики структуры и функций молекул, которые в будущем станут основой новых стратегий терапии.

Заключение

- Генетическая токсикология оценивает результаты воздействия химических и физических агентов на генетический материал и генетические процессы в живых клетках.

- Процессами метаболизма клеток, их делением и дифференцировкой управляет сложная сеть молекулярных взаимодействий, определяющая уровни экспрессии различных генов, информацию о которых можно получить с помощью биочипов.

- Изучение динамики метаболических процессов, происходящих в клетке, и природы метаболитов являются частью исследования структурной организации сетей метаболических потоков, основой выявления принципов их регуляции и определения регуляторных инвариантов, обеспечивающих гомеостаз в сетях метаболических потоков.

- Новые высокопроизводительные технологии, применяемые в генетической токсикологии, позволяют идентифицировать многие мутагены, оценивать риск действия различных токсикантов и развития побочных эффектов лекарственной терапии в зависимости от индивидуального гено- и фенотипа.

- Масс-спектрометрический анализ полиморфизма ДНК — эффективный способ определения полиморфизма с очень низкой стоимостью одного определения и высокой производительностью. Возможность мультиплексного определения мутаций или замен позволяет определять до 1.000.000 точек в день.

- Технология метаболомики и метабономики и использование аналитических систем ВЭЖХ-МС-ЯМР или ВЭЖХ-МС 2–ЯМР (или других, например ВЭЖХ-МС- ЯМР- ИСП*-МС) позволяет определять профили метаболических заболеваний или экологических нарушений до того, как у человека возникнут соответствующие симптомы. Определение метаболома даст возможность полнее понять интерактивную природу клеточных реакций на химические агенты. В настоящее время разрабатывают «белковые» микрочипы для определения протеома.

- Эффективность (и токсичность) медикаментозного лечения зависит от многих факторов, в первую очередь генетических,  а  также кишечной флоры. Многие микроорганизмы синтезируют соединения, которые активируют ферменты, ответственные за процессы детоксикации в печени,  а  ряд метаболитов микробного происхождения является непременным участником обмена веществ у человека.