重水有助于追蹤生物體內脂肪和 DNA 的新陳代謝

                發布時間:2023-04-27

                重水有助于追蹤生物體內脂肪和 DNA 的新陳代謝

                 

                生物物理學家基于使用重水分子,開發了一種可視化動物組織細胞新陳代謝的新方法。有了它,您可以監測蛋白質、脂肪和 DNA 的合成和代謝??茖W家在 《自然通訊》雜志上寫道,這種方法可用于研究各種動物生物體發育過程中聚合物的生物合成,維持其重要活動或癌性腫瘤的發展過程。

                 

                通常,為了追蹤發生了什么,細胞內各種物質在其生命過程中發生了什么反應,科學家們使用磁共振方法、正電子斷層掃描、熒光顯微鏡或顯微放射自顯影。然而,這些方法要么沒有足夠的空間分辨率,要么涉及使用細胞毒性同位素或熒光標記,這不僅對單個細胞和組織的生命造成危險,而且還會直接導致所研究過程發生變化。

                 

                以哥倫比亞大學魏敏為首的生物物理學家提出,利用重水作為造影劑,研究各種動物活細胞的代謝過程。將重水引入組織會導致在細胞中合成的那些化合物(特別是蛋白質、脂肪和核酸)中的部分碳氫鍵被碳氘鍵取代,其濃度可以通過使用光譜法改變化學鍵的振動頻率來監測。作為這項研究的一部分,科學家們提議使用受激拉曼散射技術進行分析。這個方法已經用過了以可視化癌細胞中的 DNA 分子和蛋白質,但在此之前,只能以這種方式研究物質在相對較短的時間內并且僅在某些類型的細胞中的分布。

                 

                通過使用重水,研究人員能夠更準確地研究代謝過程,無論組織類型如何。氘從重水轉變為單個氨基酸或脂肪酸,然后轉變為蛋白質、脂肪或核酸分子的順序,使得獲得有關某些物質的合成速率及其在空間中運動的信息成為可能。

                 

                科學家們注意到,要將重水引入小型動物(例如老鼠)的體內,使用富含氘的水作為飲用水就足夠了。每天消耗 60-70 毫升重水導致大約 2-5% 的身體水分被氘取代,這足以提高該方法的靈敏度,同時不會以任何方式影響動物健康(據研究,即使動物體內有五分之一的水分,用重水分代替,也不會引起任何癥狀)。

                 

                該工作的作者指出,使用所提出的方法,可以同時獨立地監測不同類型化合物的代謝。這種選擇性的出現是因為對于每種物質,鍵的振動都發生在它們自己的波長上,而碳氫鍵振動的數據也可以用作輔助數據。

                 

                科學家們已經證明了所提出的技術對小鼠各種器官(特別是腸、肝、大腦皮層、胰腺和肌肉)細胞的有效性。作為一個說明性的例子,該作品的作者展示了蛋白質和脂肪是如何合成的,以及蛋白質和 DNA 分子在細胞分裂過程中是如何重新分布的。

                 

                該作品的作者使用相同的方法可視化發生在其他動物細胞中的代謝過程,特別是線蟲秀麗隱桿線蟲和斑馬魚 ( Danio rerio )。與此同時,科學家們指出,所提出的顯微方法不僅可以用于靜力學,還可以用于研究移動動物中相當快的過程。

                 

                此外,使用重水的受激拉曼散射也可用于研究較長時間段內的代謝過程——特別是,作者能夠追蹤成年線蟲體內蛋白質和脂肪的濃度是如何重新分布的在生殖細胞發育過程中持續 8 天。特別是,科學家們能夠觀察到在卵母細胞中逐漸積累的化合物的活性合成,并評估減慢脂肪生成速度的變化。

                據該研究的作者稱,他們在未來開發的方法可能有望更詳細地研究生物體不同發育階段的代謝過程——特別是,以前使用的大多數方法都不允許分離來自蛋白質和脂肪的信號,這極大地限制了它們的能力。此外,這種方法可能有用,例如,對于癌性腫瘤的研究。

                 

                近年來,科學家們不斷改進研究活細胞動力學及其內部化學反應的顯微方法。這不僅適用于基于超高分辨率光學顯微鏡的方法,它允許跟蹤蛋白質的運動并 以高達每秒 200 幀的速度獲取視頻,而且還適用于不太傳統的方法,例如原子力顯微鏡。

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