Как исследование биологически активных веществ помогает решать проблемы науки в области биотехнологии и фармацевтики, рассказали ученые из Университета Претории

Как ученые работают над исследованием биологически активных веществ? Каким образом в подобном исследовании может помочь новейшее программное обеспечение? Эти и другие вопросы обсудили участники лекции, организованной Международным научным центром «Биотехнологии третьего тысячелетия» Университета ИТМО. Спикерами выступили Якобус Йоханнес Марион Мейер, доктор биологических наук, профессор Университета Претории в Южной Африке, и его аспирант Севес Албертс.

Метаболический анализ. Источник: shutterstock.com

Ученые Университета ИТМО и Университета Претории фокусируются на решении близких научных задач в области исследования эффективных биологически активных веществ (БАВ). Используя современное методы исследования и высокоточное оборудования, вещества можно перевести в стабильную форму и широко использовать в биотехнологической и фармацевтической сферах.

К примеру, сотрудники МНЦ «Биотехнологии третьего тысячелетия» работают над анализом биомаркеров, с помощью которых можно будет диагностировать эндометриоз у женщин на ранней стадии развития заболевания. Данное исследование особенно важно для выявления заболевания у женщин детородного возраста.

Однако при изучении различных биологических объектов ученые получают большой массив данных. О том, как с ними работать и анализировать, сотрудникам МНЦ и студентам Университета ИТМО рассказали приглашенные эксперты из Университета Претории — Якобус Йоханнес Марион Мейер и Севес Албертс. Они поделились опытом обработки и анализа информации с помощью новейшего программного обеспечения SIMCA, которое позволяет сгруппировать данные биологических материалов в группы исследуемых объектов и проанализировать их на основании приемов метаболомики.

Профессор Якобус Йоханнес Марион Мейер
Профессор Якобус Йоханнес Марион Мейер

Метаболомика – интенсивно развивающееся направление науки, занимающееся сравнительным анализом химических объектов. Традиционно при анализе метаболитов методами аналитической химии основное внимание уделялось качественному и количественному определению отдельных групп химических веществ. Однако в настоящее время развитие аналитического оборудования, методик и программного обеспечения привело к возможности проводить сравнение биопроб с учетом сотен и тысяч метаболитов. Именно этот анализ определяет современный вид метаболомики.

«Предположим, при продаже вина могут обнаружиться партии товара, в которых вино либо неприятно на вкус, либо вообще небезопасно. В данной ситуации возникает вопрос: можно ли обнаружить компонент напитка, который привел к нежелательному результату? Очень часто ответ на этот вопрос отрицательный, поскольку к наблюдаемому нежелательному эффекту могут приводить разные химические вещества, а также их комбинации. При этом и продавцу, и покупателю неважно, почему вино плохое. Им важно знать, какое вино плохое, а какое хорошее. Ответ на этот вопрос можно получить благодаря метаболическому анализу. Ученые-химики в большей степени работают с экстрактами биологически активных веществ из разнообразных природных источников: на основе сырья животного и растительного происхождения. Чаще всего в повседневных экспериментах им приходится иметь дело со сложными химическими системами и многокомпонентным составом исследуемого объекта. Те же вопросы возникают перед учеными и в сфере медицины, фармацевтики — большинство фармацевтических препаратов имеют сложный химический состав. Часто нет необходимости, а иногда и возможности определить концентрации составляющих веществ. Методы метаболомики позволяют сравнивать концентрационные профили для различных проб и разделять их на различные группы. Например, безопасные и небезопасные», — объясняет Якобус Йоханнес Марион Мейер.

Эффективность метаболического анализа доказывает история исследования средства против тропической малярии. Ученые долго не могли найти лекарство, пока не попробовали химическое вещество артемизинин, получаемое из различных источников растительного происхождения, например, полыни однолетней. Оказалось, что эффективность артемизина, полученного в виде смеси БАВ из природного источника, будет значительно выше (возможно, в 45 раз) по сравнению с чистым однокомпонентным антималярийным агентом. Таким образом, ученые доказывают, что, хоть нахождение эффективного БАВ и имеет большое значение, исследование именно комбинации БАВ представляет преимущественный интерес для современной науки. Благодаря эволюции развития практически каждое растение относится к определенному семейству. Различия между компонентами родственных растений зачастую минимальны, однако, знание о них помогают произвести максимально эффективный препарат.

Лекция-семинар «Основы ЯМР и ГХ-МС метаболического анализа с использованием программы SIMCA»
Лекция-семинар «Основы ЯМР и ГХ-МС метаболического анализа с использованием программы SIMCA»

По словам Якобуса Йоханнеса Марион Мейера, сейчас метаболический анализ помогает проверять качество лекарственных препаратов по всему миру и способствовать росту фармацевтического рынка — каждый год он растет на 5-18%. Фармацевтические препараты экспортируют из Китая на 348 миллионов долларов и импортируют в США на 220 миллионов долларов. В подобной ситуации конечный потребитель хочет одного: контроля качества готового продукта. Будь то лекарственный препарат из России, Китая или Испании, потребитель хочет одинаково высокое качество в каждой стране. Метаболический анализ способен дать такую гарантию.

На данный момент в науке существует четыре подхода метаболического анализа:

  • полный метаболический анализ — количественный и качественный анализ всех метаболитов. Это не всегда возможно из-за технических ограничений;
  • метаболическая дактилоскопия — подход, изначально направленный не на классификацию метаболитов, а на сравнение количественных откликов для различных образцов. В этом случае часто удобно использовать экспресс-анализ. метаболическое профилирование — количественная спецификация групп соединений;
  • целевой метаболический анализ — количественная спецификация определенных молекул.

Сейчас ученые чаще всего работают с экспериментальной методологией. Для метаболического анализа нужны собрать и ввести в компьютер все данные о веществе. Допустим, если мы работаем с виноградом, то критически важно указать, в какой сезон собирали виноград, какая была погода, тип почвы и многие другие переменные.

Метаболический анализ. Источник: shutterstock.com
Метаболический анализ. Источник: shutterstock.com

Здесь естественным образом появляется проблема преобразования информации в цифры, которые были бы понятны программному обеспечению. Для анализа полученной информации в спектре, необходимо преобразовать спектр в цифровую форму. Но файл представляет из себя большое количество интенсивностей в разные моменты времени. Обычно, когда мы определяем концентрацию, мы проводим интегрирование и получаем площадь пика. Для того, чтобы проанализировать средство в математической статистике, необходимо провести нарезку спектров — то есть определять интенсивность через промежутки времени. В итоге, получится целая матрица экстрактов, по которой можно сравнивать разнообразные вещества химической природы.

Другие примеры использования метаболического анализа

По словам Севеса Альбертса, метаболический анализ можно использовать не только для контроля качества и работы над медицинскими препаратами. Например, в 2012 году масштабная область берега Тихого океана во Флориде оказалась под разливом нефти. Источник ее происхождения был неизвестен, и было непонятно, кто должен платить штраф за уборку берега. Решение проблемы пришло от ученых: они взяли образец нефти с берега и сравнили его с биомаркерами другой нефти, зарегистрированными в общей системе. Таким способом ученые нашли виновную компанию, и она занялась уборкой берега.

Последствия разлива нефти в Тихом океане. Источник: tampabay.com
Последствия разлива нефти в Тихом океане. Источник: tampabay.com

«Еще одно применение метаболического анализа, которое мы, возможно, увидим в будущем, это повышение стрессоустойчивости у растений. В результате эволюционного развития они приспособились к определенным условиям среды. Скажем, растения на юге отлично переносят жару и плохо холод, а с растениями на севере — обратная ситуация. Если поместить растения в непривычную среду, оно начнет испытывать стресс из-за температуры или влаги. С помощью метаболического анализа мы сможем рассмотреть, какие изменения происходят в клетках во время стресса, узнать эти процессы и перепроектировать гены с помощью синтетической биологии и биотехнологий. В итоге, в будущем мы можем получить растения, устойчивые к стрессу», – подводит итог Савес Альбертс.

Архив по годам:
Пресс-служба