يقوم علماء كندا بتوضيح المستقلب المظلم
رسم توضيحي مفاهيمي يظهر الباحث يسلط الضوء على الجزيئات.

الائتمان: سام فالكونر

عندما يحلل علماء الكيمياء الحيوية المستقلب – المجموعة الكاملة من الجزيئات الصغيرة في خلية أو عينة من الأنسجة – سيكونون محظوظين لتحديد جزء بسيط منها. في تجارب الكيمياء التحليلية المتقدمة ، لن يتطابق التوقيع الناتج عن الغالبية العظمى من هذه الجزيئات ، والتي تسمى المستقلبات ، بما في ذلك الببتيدات والدهون والكربوهيدرات ، مع أي بنية جزيئية معروفة.

يقول رافائيل مونتينيغرو-بورك ، الذي انتقل من الولايات المتحدة إلى كندا في عام 2020 لدراسة الغالبية المجهولة من المستقلبات البشرية ، والمعروفة باسم “المستقلب المظلم” ، “إنها أحجية تجعلك مستيقظًا في الليل”. العمل في مركز دونيلي للأبحاث الخلوية والجزيئية الحيوية بجامعة تورنتو ، في تورنتو ، كندا.

في إشارة إلى المادة المظلمة ، الطاقة المراوغة ومكونات المادة في الكون ، يصف المستقلب المظلم “الأشياء التي نواصل رؤيتها ، باستخدام أدوات مثل مقياس الطيف الكتلي ، ولكن لا يمكننا تحديدها” ، كما يقول ديفيد ويشارت ، أحد علماء الأيض باحث في جامعة ألبرتا في إدمونتون ، كندا. “أجرينا عينة ، ثم ننظر في جميع المركبات المعروفة ، و 95٪ من الإشارة ما زلنا لا نستطيع تحديدها.” يقول Wishart ، إذا كنا لا نعرف ما هو المستقلب المظلم ، فلا يمكننا معرفة مدى أهميته ، لا سيما في سياق صحة الإنسان.

عندما ظهر مجال الأيض منذ حوالي 20 عامًا ، كان المستقلب البشري بأكمله عبارة عن مادة مظلمة بشكل أساسي ، كما يقول ويشارت. يقول: “في عام 2005 تقريبًا ، بدأت مشروعًا يسمى مشروع التمثيل الغذائي البشري ، يمكن مقارنته بمشروع الجينوم البشري ، لمحاولة التعرف على جميع المركبات المعروفة في جسم الإنسان”. كان الهدف هو إنشاء قاعدة بيانات يمكن الوصول إليها مجانًا من المستقلبات البشرية. في ذلك الوقت ، بلغ مجموع قائمة المركبات غير المعروفة حوالي 2180 ، كما يقول ويشارت. منذ ذلك الحين تضخمت إلى أكثر من 170000. يقول: “نعتقد أنه من المحتمل أن يكون أكثر من 4 ملايين بحلول الوقت الذي ننتهي فيه”.

علم الأيض هو الأحدث في مجالات بحث omics ، والتي تبحث في الخلايا أو الأنسجة أو الكائنات الحية الكاملة من مجموعة متتالية من النقاط الأفضلية. يتخذ علم الجينوم نهجًا عالي المستوى ، حيث يرسم خرائط لمجموعة كاملة من الجينات في الحمض النووي للكائن الحي ؛ تنظر الترانسكريبتوميك في الحمض النووي الريبي المرسال (مرنا) ، المنسوخ من الحمض النووي. علم البروتينات هو دراسة البروتينات الناتجة عن ترجمة الرنا المرسال. عند الحفر على طول الطريق ، تنظر عمليات التمثيل الغذائي إلى الجزيئات الصغيرة ، التي تم تعريفها على أنها أقل من 1500 دالتون في الحجم (واحد دالتون هو حوالي كتلة ذرة هيدروجين واحدة) الناتجة عن التمثيل الغذائي الخلوي. فهي لا تتأثر بجيناتنا وبروتيناتنا فحسب ، بل تتأثر أيضًا بما أكلناه أو استنشقناه أو تعرضنا له ، بالإضافة إلى مجموعة معقدة من المستقلبات التي تنتجها ميكروبيوم الأمعاء.

ترسم مونتينيغرو-بيرك خرائط للميتروبول المظلم لمجموعة من الكائنات الحية ذات الصلة بأبحاث صحة الإنسان ، مثل الفئران والخميرة وذباب الفاكهة والديدان الأسطوانية. يستخدم مقياس الطيف الكتلي لقياس الوزن الجزيئي لكل مستقلب غير معروف ، ولتقييم الطريقة المميزة لتقسيم كل مركب إلى أجزاء أثناء التحليل ، مما ينتج عنه بصمة غنية بالمعلومات الهيكلية.

يقوم المستقلب ، الذي يتنوع دقيقة بدقيقة استجابة للمحفزات الداخلية والخارجية ، بإبلاغ البحث حول العلاقة بين التركيب الجيني لخلية أو كائن حي (النمط الجيني) وسماته التي يمكن ملاحظتها (النمط الظاهري). لكن تأمين التمويل لأبحاث الأيض أمر صعب. على الرغم من أن معظم الجامعات الممولة تمويلًا جيدًا لديها مقياس طيف جماعي ذي وصول مشترك ، فإن الباحثين في علم الأيض يحتاجون إلى آلة متطورة خاصة بهم. تقول سارة شريفبور ، مديرة عمليات البحث والاستراتيجية في دونيلي: “بدون مقياس طيف الكتلة عالي الإنتاجية ، لا يمكنك إجراء عمليات التمثيل الغذائي”. كانت مونتينيغرو-بيرك “محظوظة جدًا” لتلقي منحة المؤسسة الكندية للابتكار والبنية التحتية البالغة 400 ألف دولار كندي (313.266 دولارًا أمريكيًا) في أغسطس ، كما تقول. “نظرًا لأن الاستثمار المسبق مرتفع ، ويستغرق إنشاء البيانات وقتًا طويلاً ، في مناخ التمويل الكندي ، من الصعب إثبات أن هذا العمل وثيق الصلة على الفور.”

قد تكون أبحاث المستقلبات الداكنة مؤهلة للحصول على تمويل من مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة الكندي (NSERC) ، ولكن “إنها كثيفة الاستخدام للموارد ، ولا توجد طريقة يمكنك من خلالها القيام بذلك بمنحة NSERC” ، كما يقول إيان لويس ، الباحث في جامعة كالجاري في ألبرتا ، كندا. كان لويس جزءًا من دراسة ميكروبيوم مضيف أظهرت كيف تسبب عقار شائع مضاد للحقن في التهاب القولون كأثر جانبي. تم إعادة تنشيط الدواء المستقلب في الأمعاء بواسطة إنزيم غير معترف به سابقًا تم إطلاقه بواسطة بكتيريا الأمعاء (MR Taylor وآخرون. علوم. حال. 5، eaax2358 ؛ 2019).

يتطلب رسم خرائط المستقلب المظلم خبرة في علم الأحياء والكيمياء والتقنيات التحليلية. يقول Wishart: “يتطلب الأمر أيضًا فهمًا جيدًا لمعلوماتية chemin والتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي”. هذا يعني تجميع فريق متعدد التخصصات. “في جامعة ألبرتا ، أعمل في علم الأحياء ، ثم مجموعة بقيادة ليانج لي في الكيمياء ، ومجموعة في التعلم الآلي وعلوم الحوسبة بقيادة روس غرينر.”

تمتد تعاونات الأيض في جميع أنحاء كندا. لويس وويشارت هما اثنان من ثمانية “قادة عقدة” لشبكة واسعة في كندا ، مركز ابتكار الأيض ، تم إنشاؤه كمبادرة مشتركة بين جامعة ألبرتا وجامعة فيكتوريا في عام 2011. تساعد المناقشات الشهرية على تعزيز التعاون عبر الشبكة ، والتي تضم الآن الباحثين من خمس جامعات.

مع الاندفاع نحو عمليات التمثيل الغذائي المظلمة على مدى العقد الماضي ، ليس هناك الكثير الذي يمكن القيام به باستخدام مقياس الطيف الكتلي القياسي وتقنيات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، يلاحظ لويس. تحدد الرنين المغناطيسي النووي ، وهي تقنية تكميلية ، الجزيئات عن طريق قياس الاستجابة المميزة لذراتها المكونة للمجال المغناطيسي. يقول لويس: “يقود هذا الآن أناس على حافة فقاعة التكنولوجيا”. “أفضل مطياف الكتلة وأفراد الرنين المغناطيسي النووي هم من يدفعون حقًا إلى هذا الحد.”

نظرًا لتزايد عدد المركبات غير المعروفة في المستقلب البشري ، فقد تركز أيضًا فريق جامعة ألبرتا على تطوير أدوات حسابية للمساعدة في تحديد المزيد من المركبات الغامضة التي تم اكتشافها بواسطة مطياف الكتلة والرنين المغناطيسي النووي. يقول Wishart: “لقد انتقلنا من محاولة تعداد هذه المركبات يدويًا ، باستخدام الأجهزة ، إلى السؤال عما يمكن أن تفعله أجهزة الكمبيوتر لمساعدتنا في عملية التمثيل الغذائي المظلمة”. يقوم الفريق بتطوير برنامج للتنبؤ بالتراكيب الجزيئية التي يمكن تصور وجودها في عينة ، وما يمكن أن تبدو عليه أطياف كتلة المستقلبات المتوقعة.

لا تستطيع المناهج الحسابية أن تحدد بشكل روتيني ولا لبس فيه بنية معظم جزيئات الغموض في العينة ، بناءً على قياس الطيف الكتلي. ومع ذلك ، يمكن للبرنامج بشكل متزايد تحديد فئة المركب العضوي الذي ينتمون إليه. يقول Wishart: “لا يزال هذا فوزًا كبيرًا”. من خلال تحديد 5٪ فقط من المستقلب البشري ، يمكن للفريق الآن تعيين فئة مركبة تصل إلى نصف الجزيئات في عينة ، كما يقول ، الأمر الذي يفيد مجالات أخرى من البحث.

“[Using] لقد طورنا البرنامج لمساعدتنا على التنبؤ بأطياف الكتلة ، فقد عملنا مع كيميائيين في الطب الشرعي لمساعدتهم على تحديد عقاقير جديدة في الشوارع “، كما يقول Wishart. يمكن أن تساعد الأدوات نفسها أيضًا في تسريع البحث عن المنتجات الطبيعية ذات الخصائص المفيدة المحتملة.

يقول Wishart: “هذا تشبيه لسبب الذهاب إلى القمر”. “عملية الوصول إلى هناك سمحت لنا بتطوير أجهزة الكمبيوتر وتكنولوجيا محركات الصواريخ ، ومفهوم علم الفريق. لقد أوجد المستقلب المظلم مجموعة كاملة من الحلول العملية التي تمتد عبر كل الكيمياء ، ونأمل أن تساعدنا على فهم الكون الكيميائي من حولنا “.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *