Біофізики розробили новий спосіб візуалізації обміну речовин у клітинах тканин тварин, заснований на використанні молекул важкої води. З його допомогою можна стежити за синтезом і метаболізмом білків, жирів і ДНК. Цей підхід можна використовувати для вивчення біосинтезу полімерів у процесі розвитку організмів різних тварин, підтримки його життєдіяльності або при розвитку ракових пухлин, пишуть вчені в.
Зазвичай щоб простежити за тим, що відбувається які реакції протікають між різними речовинами всередині клітин у процесі їх життєдіяльності, вчені застосовують магнітно-резонансні методи, позитронну томографію, флуоресцентну мікроскопію або мікроавторадіографію. Проте ці методи або не мають достатньої просторової роздільної здатності, або передбачають використання цитотоксичних ізотопних або флуоресцентних міток, які можуть не тільки бути небезпечними для життя окремих клітин і тканин, але і призводити до змін безпосередньо в процесах, що вивчаються.
Біофізики під керівництвом Вея Міня (Wei Min) з Колумбійського університету запропонували для дослідження метаболічних процесів у живих клітинах різних тварин як контрастного агента використовувати важку воду. Введення в тканину важкої води призводить до того, що частина зв'язків вуглець-водень у тих сполуках, які синтезуються в клітці (зокрема, білків, жирів і нуклеїнових кислот), замінюється на зв'язок вуглець-дейтерій, за концентрацією яких можна стежити за зміною частоти коливань хімічних зв'язків за допомогою спектрометричних методів. В рамках даного дослідження вчені запропонували проводити аналіз за допомогою методики вимушеного раманівського розсіювання. Цей метод вже використовувався для візуалізації молекул ДНК і білків в ракових клітинах, проте до цього досліджувати таким чином вдавався лише розподіл речовин на відносно коротких проміжках часу і тільки в окремих типах клітин.
З використанням важкої води дослідники отримали можливість вивчати з більш високою точністю і метаболічні процеси незалежно від типу тканини. Послідовність переходу дейтерія з важкої води спочатку в окремі аміно- або жирні кислоти, а потім - в молекули білків, жирів або нуклеїнових кислот дозволяє отримати інформацію про швидкість синтезу тих чи інших речовин і їх рух у просторі.
Вчені відзначають, що для введення важкої води в організм невеликої тварини (наприклад миші) досить використовувати багату дейтерієм воду в якості питної. Щоденне споживання 60-70 мілілітрів важкої води призводить в результаті до заміни приблизно 2-5 відсотків води в організмі на дейтеріеву, чого виявляється достатньо для підвищення чутливості методу і при цьому ніяк не відбивається на здоров'ї тварин (за даними досліджень, навіть якщо п'яту частину води в організмі тварини замінити на важку, ніяких симптомів це не викличе).
Автори роботи зазначають, що за допомогою запропонованого методу можна одночасно стежити за метаболізмом різних типів з'єднань незалежно один від одного. Така селективність з'являється завдяки тому, що у кожної з речовин коливання зв'язків відбуваються на своїй довжині хвилі, при цьому в якості допоміжних даних можна використовувати і дані про коливання зв'язків вуглець-водень.
Працездатність запропонованої методики вчені показали на клітинах різних органів миші (зокрема - кишківника, печінки, кори головного мозку, підшлункової залози і м'язів). Як показовий приклад автори роботи продемонстрували, як відбувається синтез білків і жирів і перерозподіл молекул білків і ДНК під час клітинного ділення.
Цей же метод автори роботи використовували для візуалізації метаболічних процесів, які протікали в клітинах інших тварин, зокрема нематоди і даніо-реріо (). При цьому вчені зазначають, що запропонований мікроскопічний підхід можна використовувати не тільки в статиці, а й при вивченні досить швидких процесів у рухомих тваринах.
Крім того, вимушене раманівське розсіяння з використанням важкої води можна застосовувати і для вивчення метаболічних процесів на більш тривалих часах - зокрема, авторам вдалося простежити, як в організмі дорослої нематоди в процесі розвитку зародкових клітин протягом 8 днів перерозподілялася концентрація білків і жирів. Зокрема, вченим вдалося спостерігати активний синтез сполук, які поступово накопичувалися в ооцитах, і оцінити зміну швидкості сповільнення ліпогенезу.
За словами авторів дослідження, розроблений ними метод в майбутньому може виявитися перспективним для більш детального вивчення метаболічних процесів на різних стадіях розвитку організмів - зокрема, більшість методів, що використовувалися до цього, не дозволяли розділити сигнал від білків і жирів, що сильно обмежувало їх можливості. Крім того, цей підхід може виявитися корисним, наприклад, для вивчення ракових пухлин.
В останні роки вченим вдається постійно вдосконалювати мікроскопічні методи дослідження динаміки живих клітин і хімічних реакцій всередині них. Це стосується не тільки підходів, заснованих на оптичній мікроскопії надвисокої роздільної здатності, які дозволяють стежити за рухом білків і отримувати відео з частотою до 200 кадрів на секунду, але і менш традиційних методів, наприклад атомно-силової мікроскопії.