Специально для исследований в области ботаники международная группа ученых разработала новый метод магнитно-резонансной томографии (МРТ). Он позволяет без повреждения объекта получать информацию о метаболизме сахаров и аминокислот в сложных структурах, например, в плодах и клубнях.
Геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика, известные как «омики», являются передовыми инструментами в исследованиях растений и системной биологии. Метаболом, представляющий собой совокупность метаболитов – продуктов метаболизма в клетке, ткани, органе или организме, – это динамичная система, в отличие от генома, который характеризуется большей стабильностью. Уровни метаболитов существенно различаются как в пространстве, так и во времени.
В биомедицине для исследований in vivo, в живом организме или клетке, чаще всего используют ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) или магнитно-резонансную томографию (МРТ). Науки о растениях раньше не применяли эти диагностические методы широко, хотя и хотели бы.
Международная группа ученых разработала метод магнитно-резонансной томографии, предназначенный для применения в исследованиях растений. Химический обмен насыщения ( chemical exchange saturation transfer, CEST ) данная методика обеспечивает возможность получения информации о метаболических процессах, связанных с сахарами и аминокислотами, в значимых для сельского хозяйства органах растений – семенах, плодах, корнях и клубнях. Это касается таких культур, как кукуруза, ячмень, горох, картофель, сахарная свекла и сахарный тростник, причем без использования инвазивных процедур.
Научная работа опубликована в журнале Science Advances.
При проведении стандартной ЯМР-томографии биологических тканей в качестве сигнала используются протоны, содержащиеся в воде или жирах. Уровень концентрации протонов в различных метаболитах значительно ниже, чем у воды – на три порядка in vivo обнаружение метаболитов требует подавления сигнала воды. В CEST-методе магнетизация передается от других молекул молекулам воды, а снижение сигнала от первичных молекул снижает сигнал от воды.
CEST позволяет обнаруживать различные метаболиты на основе их способности обмениваться протонами с водой. Это обеспечивает дополнительный контраст МРТ. Благодаря высокой чувствительности и низкой восприимчивости к неоднородностям магнитного поля CEST анализирует равномерные ботанические образцы, недоступные для традиционной магнитно-резонансной спектроскопии.
Исследовательская группа продемонстрировала, что CEST позволяет получать микроскопическое разрешение и динамическую оценку распределения сахаров и аминокислот, несмотря на магнитную неоднородность образцов. Эффективность метода не зависит от вида, сорта и органа растения.
Для специалистов стало особенно важным то, что позволяет неинвазивно наблюдать за метаболитами без предварительной подготовки или модификации образцов. Исследователи смогли показать, как меняются метаболиты в процессе роста семян, что невозможно с помощью обычных подходов. Знания о том, как меняется во времени и в пространстве содержание сахаров и аминокислот в органах-коллекторах, представляют большой интерес для селекционеров.
Наблюдение за изменениями концентрации метаболитов в живых растениях дает возможность выявить взаимосвязи между структурными и метаболическими процессами, протекающими в растениях в ответ на изменение среды. CEST открывает новые возможности для мониторинга динамических изменений в живых растениях. Это особенно важно для селекционных исследований путем in vivo.