Ліпідомія - нова зірка на небі "ОМІКА" - Новий технологічний підхід до всеосяжності
Новий технологічний підхід до всебічного опису повних ліпідних профілів
Перш за все, технологічні та аналітичні досягнення просувають дослідження. У біомедичній галузі це стосується, зокрема, галузі досліджень ліпідів, якій протягом десятиліть перешкоджає відсутність відповідних аналітичних методів для вивчення величезної складності ліпідів в організмі людини. Зараз починається ера ліпідоміки, яка стосується загальної кількості ліпідів у біологічній пробі. Він має різноманітне застосування у фундаментальних дослідженнях, біотехнологіях та біомедицині (поточний стан показано в статтях з питань ліпідомії [1]).
Жир нам болить. Насправді?
Наша маса мозку також складається приблизно з 50% ліпідів, що дозволяє нам думати - сподіваємось, і про важливість цього класу біомолекул!
Що таке ліпіди?
Ліпіди визначаються своєю гідрофобністю, тобто вони розчинні в органічних розчинниках і нерозчинні у воді. Однак це досить розмите визначення вже передбачає деякі технічні проблеми для аналізу ліпідів. Багато необхідних ліпідів не легко витягуються органічними розчинниками, а деякі проміжні продукти ліпідів навіть розчиняються у воді.
Рис. 1 Ліпіди є дуже неоднорідним класом молекул. Невеликий вибір: арахідонова кислота є жирною кислотою і відіграє важливу роль як сигнальна молекула; він також є попередником простагландинів, які мають гормоноподібні функції. Тріацилгліцерин (TAG) зазвичай називають "жиром". Він містить три залишки жирних кислот і є найефективнішою формою накопичення метаболічної енергії. Залежно від типу жирних кислот (насичених або ненасичених), TAG є або рідким (наприклад, оливкова олія), або твердим (наприклад, вершкове масло). Фосфатидилінозитол (PI) - мембранний фосфоліпід. Холестерин модулює властивості мембрани. Цереброзид - це цукровмісний ліпід у нервових та м’язових клітинах (формули взяті з бази даних PubChem https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/).
На малюнку 1 показано - для ілюстрації їх хімічної неоднорідності - різні молекули ліпідів, включаючи холестерин, гліцероліпіди та сфінголіпіди. Кілька біосинтетичних шляхів ліпідів служать мішенями для антибіотиків (наприклад, синтезу бактеріальних жирних кислот) або фармакологічних засобів (наприклад, біосинтез стеринів у грибів або людини). Детальну схему класифікації ліпідів можна знайти на веб-сайті Lipid MAPS (https://www.lipidmaps.org/) [2]. Ще однією головною перешкодою для кількісного опису ліпідів клітини або тканини є те, що різні класи та типи ліпідів зустрічаються в надзвичайно різних кількостях: Функціонально необхідні сигнальні молекули можуть бути присутніми лише у незначних кількостях, так що об'ємні ліпіди накладають їх під час аналізу.
Поява ліпідоміки
“Цільовий” або “нецільовий”: додаткові методи для спеціальних застосувань
Найпоширеніший у ліпідоміці метод заснований на мас-спектрометрії (МС) [6,7]: ліпіди з зразка вводяться у вакуум мас-спектрометра, піддаючись слабкій іонізації (зазвичай в електророзпилювальній конфігурації), а іони на їх основі Співвідношення маса-заряд (м/z) розділилося до того, як вони потрапили в детектор. Це поділ, як правило, відбувається в серії спеціально скоординованих, змінних магнітних полів ("квадруполь"). Крім того, іонні пастки можна використовувати для виділення та збагачення певних іонів до виявлення. Для кращого розуміння структурних особливостей іони можна розділити на характерні фрагменти в так званих клітинах зіткнення. Налаштування часу польоту (TOF) дають змогу додатково вдосконалити ідентифікацію фрагментів на основі їх часу польоту в мас-спектрометрі [6,7].
Рис. 2 Мас-спектр зразка ліпіду. Збільшена область показує невеликий ділянку цього спектру і ілюструє високу точність маси, що дозволяє чітко диференціювати різні види ліпідів.
Підходи до ліпідоміки можуть бути “цільовими” або “нецільовими”. У цільовому варіанті для виявлення та кількісного визначення використовується спеціально підібраний спектр типів молекул ліпідів, які всі визначаються конкретними значеннями m/z, при цьому типи ліпідів, які не мають значення для дослідження, опускаються, щоб уникнути небажаного фонового шуму . Нецільовий варіант намагається охопити весь спектр мас і, таким чином, дозволяє виявити невідомі молекули ліпідів. Обидва підходи мають переваги та недоліки з точки зору часу аналізу та чутливості (рис. 2).
Висока пропускна здатність зразків досягається підходом дробовика, при якому екстракти ліпідів вводяться в мас-спектрометр без попереднього хроматографічного розділення. Аналіз займає лише кілька секунд на зразок, щоб охопити або цільовий, або нецільовий спектр типів ліпідів. Хоча цей процес досить швидкий, він легко переповнюється великою кількістю різноманітних молекулярних видів ліпідів. Ефекти матриці, які пригнічують сигнал вимірювання та перешкоджають кількісному визначенню видів ліпідів, можуть бути зменшені або поліпшені ідентифікація ліпідів, якщо зразок піддають хроматографічному розділенню до аналізу MS. Цей варіант є більш "кількісним", ніж метод рушниці, але він значно розширює час аналізу. Якому із цих процесів, які зазвичай доповнюють один одного, слід віддати перевагу, слід залежати від конкретного застосування.
Застосування ліпідоміки та сучасні виклики
Чому в клітині існує така величезна неоднорідність і складність молекул ліпідів? Чи існують якісь особливі функції, пов’язані з цією різноманітністю? Ліпідомія зрештою дасть відповідь на деякі з цих фундаментальних питань. Врешті-решт, життя залежить від функції ліпідного шару товщиною приблизно 5 нм (= 5 мільярдних часток метра або в 100 разів тонше стінки мильної бульбашки), яка визначає клітину як таку та відокремлює її внутрішню частину від зовнішньої тканини. Краще подивіться і подбайте про свої ліпіди!