Metode Baru Mengukur Metabolik Secara "Realtime"

Para ilmuwan di ETH Zurich mengembangkan sebuah metode baru, yakni teknik untuk mengukur perubahan konsentrasi dari ratusan produk metabolik secara bersamaan dan hampir secara real time. Teknik ini dapat menginspirasi penelitian biologi dasar dan mencari agen farmasi baru.

Analisis semua metabolit dalam satu langkah ini tidaklah mudah. Apalagi metabolit merupakan kelas yang sangat beragam dari zat biologis.

"Berbagai gula, lemak, bahan messenger dan asam amino termasuk dalam kelompok ini. Jadi benar-benar molekul yang berbeda. Satu-satunya kesamaan mereka adalah bahwa mereka kecil, setidaknya jika dibandingkan dengan protein dan molekul RNA yang terjadi pada skala massa dalam sel," kata Uwe Sauer, professor bidang biologi ETH Zurich. Bersama rekannya, Sauer mengembangkan metode baru ini.

Pengukuran simultan dari ratusan metabolit dalam cairan seperti urin atau darah atau dalam sel sangat memakan waktu. Sebagian besar ahli biologi menggunakan metode di mana campuran zat pertama kali dipisahkan oleh kromatografi dan kemudian bahan yang terpisah diidentifikasi dalam spektrometer massa.

Beberapa tahun yang lalu Sauer, dan rekannya Zamboni mengembangkan metode yang membuat pemisahan kromatografi tidak perlu. "Kami sekarang dapat menganalisis sampel langsung dalam spektrometer massa dan menyaring informasi tentang bahan-bahan dari sejumlah besar data menggunakan perangkat lunak yang kami kembangkan," kata Sauer.

Identifikasi 300 hingga 800 metabolit berbeda dalam sampel hanya membutuhkan satu menit, yang berarti bahwa analisis ribuan sampel dalam satu hari. Kemampuan ini sebelumnya hanya di anggap mimpi, namun saat ini sudah menjadi kenyataan.

"Keberhasilan metode pengukuran ini membawa kami ke ide pengukuran real-time," kata Sauer. Ini sangat membantu karena metabolisme bereaksi sangat cepat terhadap perubahan stimulus.

"Jika, misalnya, Anda menyinari tanaman dalam gelap, konsentrasi metabolitnya berubah hanya dalam beberapa detik. Waktu yang tepat dari perubahan konsentrasi dalam menanggapi rangsangan baru adalah informasi penting dan bermakna dalam biologi," tambah Sauer.

Para ilmuwan ETH menerapkan ide pengukuran secara real time mereka dengan menggunakan sel-sel berbeda dalam suatu kultur, dua spesies bakteri, satu spesies ragi dan sel tikus.

Para peneliti membiarkan sel-sel tumbuh di media tumbuh yang tepat di sebelah alat pengukur. Sistem pompa otomatis mengekstraksi sejumlah kecil dari kultur sel setiap 10 detik untuk menganalisanya dalam instrumen.

Bakteri Siaga

Para peneliti tidak hanya berhasil membuktikan bahwa, pada prinsipnya, pengukuran on-linetersebut dimungkinkan dengan semua jenis kultur sel. Dengan teknologi mereka, mereka juga mendapatkan wawasan baru tentang bagaimana bakteri E. coli beralih dari mode 'stand-by' ke fase pertumbuhan. Mereka membiarkan bakteri kelaparan selama dua jam dengan menjaga mereka dalam medium tumbuh tanpa gula.

Sebagai akibatnya bakteri beralih ke program 'stand-by' dengan menghentikan produksi sebagian besar metabolit dan menguraikan yang sudah ada untuk mendapatkan energi untuk bertahan hidup.

Setelah fase kelaparan ini, para ilmuwan kembali menyediakan bakteri dengan gula. Dalam satu menit, sel-sel melanjutkan produksi metabolit untuk tumbuh dan membelah.

Namun, para ilmuwan bingung dengan 10 perilaku metabolit dari hampir 300 metabolit yang dipelajari. Ke 10 metabolit ini mayoritas berprilaku berbeda. konsentrasi mereka meningkat selama fase kelaparan dan menurun selama fase pasokan optimal.

Para peneliti percaya bahwa ini adalah metabolit kunci yang mempengaruhi perubahan metabolisme yang sangat cepat antara kedua fase. 10 metabolit ini adalah delapan asam amino spesifik - blok pembangun protein - dan dua molekul, dari mana sel menghasilkan DNA dan blok bangunan RNA.

Dan mereka memiliki satu kesamaan: sel harus mengeluarkan sejumlah besar energi untuk menghasilkannya. "Kami berasumsi bahwa sel-sel tidak memecah blok bangunan yang berharga selama fase kelaparan, tetapi menyimpannya untuk memiliki kondisi awal terbaik untuk fase pertumbuhan berikutnya," kata Sauer.

Dengan menggunakan sistem model komputer biologis, para ilmuwan mampu menunjukkan bagaimana regulasi bekerja, 10 metabolit yang disimpan selama fase kelaparan mencegah sel memproduksi lebih banyak dari mereka di awal fase pertumbuhan.

"Ini adalah metode yang sangat berguna untuk mendapatkan gambaran pertama tentang bagaimana sel-sel bereaksi terhadap stimulus eksternal," katanya.

Para peneliti melihat aplikasi yang mungkin tidak hanya dalam penelitian biologi dasar, tetapi juga, misalnya, dalam penyaringan agen farmasi baru yang potensial. Ini akan memungkinkan untuk menemukan bagaimana obat mengubah metabolisme - metode yang digunakan kelompok Sauer untuk penyelidikan semacam itu. nik/berbagai sumber/E-6