重水は、生物の脂肪とDNA代謝を追跡するのに役立ちます

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移動する線虫Caenorhabditiselegansの体内の脂肪の分布

生物物理学者は、重水分子の使用に基づいて、動物の組織細胞の代謝を視覚化する新しい方法を開発しました。タンパク質、脂肪、DNAの合成と代謝を監視するために使用できます。このアプローチは、さまざまな動物の生物の発生中、その生命活動の維持中、または癌性腫瘍の発生中のポリマーの生合成を研究するために使用できます、と科学者はNatureCommunicationsに書いています。

通常、何が起こっているのか、細胞内のさまざまな物質間で生命活動中にどのような反応が起こっているのかを追跡するために、科学者は磁気共鳴画像法、ポジトロン断層撮影法、蛍光顕微鏡法、またはマイクロオートラジオグラフィーを使用します。しかし、これらの方法は十分な空間分解能を持たないか、細胞毒性同位体または蛍光標識の使用を伴い、個々の細胞や組織の生命に危険を及ぼすだけでなく、研究中のプロセスに変化をもたらす可能性があります。

コロンビア大学のWeiMinが率いる生物物理学者は、さまざまな動物の生細胞の代謝過程を研究するための造影剤として重水を使用することを提案しました。組織に重水を導入すると、細胞内で合成される化合物(特にタンパク質、脂肪、核酸)の炭素-水素結合の一部が炭素-重水素結合に置き換わるという事実につながります。その濃度は、分光法を使用して化学結合の周波数振動を変更することで監視できます。この研究の枠組みの中で、科学者たちは、誘導ラマン散乱技術を使用して分析を行うことを提案しました。この方法は、癌細胞のDNAやタンパク質分子を可視化するためにすでに使用されていますが、それ以前は、この方法で比較的短期間の物質の分布のみを特定の種類の細胞でのみ研究することができました。

重水を使用することで、研究者は組織の種類に関係なく、代謝プロセスをより正確に研究することができました。重水から最初に個々のアミノ酸または脂肪酸、次にタンパク質、脂肪、または核酸の分子への重水素の遷移のシーケンスにより、特定の物質の合成速度および空間内でのそれらの移動に関する情報を取得できます。

科学者たちは、小動物(たとえばマウス)の体内に重水を導入するには、重水素が豊富な水を飲料水として使用するだけで十分であると述べています。毎日60〜70ミリリットルの重水を消費すると、体内の水の約2〜5%が重水素に置き換わります。これは、メソッドの感度を高めるのに十分であると同時に、動物の健康に影響を与えません。いずれにせよ(研究によると、動物の体内の水の5分の1が重水に置き換えられたとしても、これは何の症状も引き起こしません)。

研究の著者は、提案された方法を使用して、互いに独立して異なるタイプの化合物の代謝を同時に監視することが可能であると述べています。この選択性は、各物質について、結合振動がそれ自体の波長で発生するという事実に起因しますが、炭素-水素結合振動に関するデータも補助データとして使用できます。

科学者たちは、マウスのさまざまな器官(特に、腸、肝臓、大脳皮質、膵臓、筋肉)の細胞に対する提案された技術の効率を示しています。実例として、研究の著者は、タンパク質と脂肪の合成、および細胞分裂中のタンパク質とDNA分子の再分布がどのように発生するかを示しました。

研究の著者は、他の動物、特に線虫Caenorhabditis elegansとゼブラフィッシュ(Daniorerio)の細胞で起こった代謝過程を視覚化するために同じ方法を使用しました。同時に、科学者たちは、提案された微視的アプローチは静力学だけでなく、動いている動物のかなり速いプロセスの研究にも使用できることに注目しています。

さらに、重水を使用した誘導ラマン散乱は、代謝プロセスを長期間研究するためにも使用できます。特に、著者らは、成虫の体内でタンパク質と脂肪の濃度がどのように再分布したかを追跡することができました。 8日間の線虫の発生。特に、科学者たちは卵母細胞に徐々に蓄積する化合物の活発な合成を観察し、脂質生成を遅らせる速度の変化を評価することができました。

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重水投与後8日以内の線虫Caenorhabditiselegansの体内の脂肪(上3行)とタンパク質(下3行)の濃度の変化

研究の著者によると、彼らが将来開発した方法は、生物の発達のさまざまな段階での代謝プロセスのより詳細な研究に有望であることが証明される可能性があります-特に、以前に使用された方法のほとんどは信号を分離することを許可しませんでしたそれらの能力を大幅に制限したタンパク質や脂肪から。さらに、このアプローチは、たとえば、癌性腫瘍の研究に役立つ可能性があります。

近年、科学者たちは生細胞のダイナミクスとその中の化学反応を研究するための顕微鏡的方法を絶えず改善することに成功しています。これは、タンパク質の動きを監視し、最大200フレーム/秒の周波数でビデオを取得できる超高解像度光学顕微鏡に基づくアプローチだけでなく、原子間力顕微鏡などの従来の方法にも当てはまります。

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