Интеллектуальная черная дыра распространяется на митохондрии, энергетические машины клеток, которые дают сбой при более чем 150 заболеваниях, включая рак, диабет, болезнь Паркинсона и многочисленные генетические нарушения.Чтобы заполнить пробелы в митохондриях, исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон удалили один за другим 174 гена в дрожжах.
Затем они подвергли дрожжи высокоинтенсивной масс-спектрометрии, чтобы измерить беспрецедентные детали тысяч продуктов метаболизма, включая белки, промежуточные химические вещества, называемые метаболитами, и липиды.В последнем выпуске журнала Nature Biotechnology Джошуа Кун, профессор биомолекулярной химии из Университета штата Мэдисон, и Дэвид Паглиарини, директор по исследованиям метаболизма Исследовательского института Моргриджа в Университете Вашингтона, сообщают о всестороннем анализе эффекта удаления отдельных генов.
В ходе исследования было выявлено семь генов, вырабатывающих кофермент Q (CoQ), молекулу, критическую для энергетического метаболизма митохондрий.При комплексном анализе часто используются данные нескольких типов.
Например, чтобы понять автомобильную аварию, могут потребоваться данные о погоде, автомобилестроении и дорожной технике, а также о нарушениях водителей из-за отвлечения внимания или наркотиков.
В биологии исчерпывающие данные о клеточной биохимии появляются, когда специальность Куна, высокоскоростная масс-спектрометрия, сочетается с инновационными методами для обработки каскада данных, который в новом исследовании составляет почти две тысячи гигабайт.Ген формирует белок. «Чтобы точно узнать, что делают эти гены и белки, — говорит Кун, — мы изучили клетки, которые не могут производить белки, используя новые научные инструменты, которые могут измерять соединения с удивительной скоростью и точностью».
По словам Кун, исследование предоставило уровень детализации, недоступный еще пять лет назад. «Усовершенствованная технология и подходы к масс-спектрометрии сократили время для анализа всех белков в образце дрожжей с четырех часов до одного часа. Я был взволнован, и я пошел к Дейву и сказал:« Мы можем проанализировать производство белка в 1000 образцах в 1000 часов.
У вас есть что-то большое? ‘"В группе Паглиарини была страсть к митохондриям, перерабатывающим энергию, и особенно к таинственным белкам, связанным с ними.По словам Пальярини, исследователи начали исследование с удаления генов, кодирующих белки во всех основных функциональных частях митохондрий. «Если мы выберем один за другим широкий спектр генов с известной функцией и проанализируем белки, метаболиты и липиды, используя технологию, разработанную группой Джоша, данные станут« сигнатурой »того, что делает каждый белок.
Если мы затем повторим это с другим штаммом, в котором отсутствует другой белок с неизвестной функцией, мы сможем сравнить его сигнатуру с другими и начать выяснять, что делает этот белок ».Поток данных стал «проблемой информатики, которую нам пришлось преодолеть», — говорит Кун. «Со-ведущий автор исследования Николас Квесьен, аспирант, создал веб-сайт, на котором эти данные представлены таким образом, чтобы их было легче понять».Квесиен и аспирант Паглиарини Джонатан Стефели, другой со-ведущий автор, работали в качестве партнеров, говорит Кун. «Джон говорил:« Я хотел бы увидеть это », и Ник выяснял, как это сделать.
Многие из потенциальных клиентов, которые мы рассмотрели, были получены в результате их процесса выяснения того, как работать вместе. "Некоторые из самых сильных подсказок, которые появились, касались CoQ, который часто недостаточен при митохондриальных нарушениях, вызывая что угодно, от простой мышечной боли до серьезных мультисистемных проблем.Группа Паглиарини провела биохимические эксперименты, чтобы подтвердить предположение о том, что одна комбинация ген-белок имеет решающее значение для производства CoQ. «Крупномасштабный сбор данных показал, что один штамм не смог произвести ключевой метаболит, необходимый для CoQ, поэтому мы доставили этот метаболит и экспериментально восстановили дефицит CoQ в нокаутированных дрожжах», — говорит Паглиарини. «Итак, мы перешли от этого крупномасштабного анализа, основанного на масс-спектрометрии, к биохимии, и получили всю историю. Это будет новый шаг в учебниках.
Он зафиксирован. Теперь, когда мы лучше понимаем путь, возможно, мы сможем понять как обойти эту нехватку, чтобы помочь некоторым пациентам ».«Мы не можем этого обещать, — добавляет Кун, — но мы можем пообещать, что никто бы не смотрел на этот ген, пока мы не обнаружили его в ходе этого широкомасштабного анализа».Помимо семи генов, связанных с CoQ, «наш текущий анализ уже привел к примерно 20 дополнительным предсказаниям функции белков, и каждый из них может стать дипломным проектом», — говорит Паглиарини. «Теперь мы можем приступить к определению функции этих белков, связанных с заболеванием, о которых мы в настоящее время мало или совсем не знаем».Паглиарини добавляет, что вместо изучения белков по одному, исследование показывает эффективность изучения их сотнями.
«Такой результат является свидетельством мудрости инвестиций университета и Института Моргриджа в передовые технологии», — говорит Кун. «Новейшие технологии могут ускорить биологические открытия. Если кто-то придет к нам и захочет изучить дюжину штаммов дрожжей на таком уровне детализации, два года назад это заняло бы месяц.
Теперь это займет день. Наука уже приносит пользу , и мы верим, что пациенты тоже получат пользу ».