Cum se transformă alimentele în energie? O analiză atomică a metabolismului

În interiorul corpului nostru, în fiecare moment, celulele noastre orchestrează un „dans” complex de atomi și molecule care utilizează energie pentru a crea şi distribui substanțele de care depinde viața noastră.

Acest proces nu se desfăşoară doar în corpul nostru ci şi în cel al animalelor. Acest „dans” al metabolismului este diferit de la o specie la alta.

Într-o nouă cercetare, publicată în Science Advances, am analizat anumiți atomi de carbon din aminoacizi (blocurile de construcție ale proteinelor) pentru a descoperi amprentele distinctive ale metabolismului diferitelor specii.

Aceste amprente dezvăluie modul cum speciile îndeplinesc cerințele de supraviețuire, creștere și reproducere chiar dacă sunt diferite și oferă o modalitate cu totul nouă de a înțelege metabolismul în detalii fără precedent.

Credit: Shutterstock

O prezentare mai detaliată

Am dezvoltat o nouă modalitate de a studia metabolismul (procesele chimice din interiorul corpului care ne mențin în viață) şi care dezvăluie mult mai multe detalii decât metodele anterioare. Noua noastră tehnică analizează izotopii din interiorul aminoacizilor pentru a vedea cum funcționează metabolismul.

Izotopii sunt versiuni ale aceluiași element chimic cu mase diferite. De exemplu, cel mai răspândit tip de carbon este carbonul-12, dar există și un izotop numit carbon-13, care este puțin mai greu. Putem măsura raportul dintre izotopii grei și cei ușori din moleculele biologice, cum ar fi proteinele, pentru a afla mai multe informaţii despre organismul care i-a produs.

În mod obişnuit, oamenii de știință analizează raportul general al izotopilor pentru întreaga proteină. Acest lucru poate dezvălui unele informații, în special despre ce mănâncă o anumită specie, dar este ca și cum am aproxima o imagine TV complexă cu un singur pixel de lumină, pierzând toate informațiile detaliate.

Mai recent, oamenii de știință au reușit să măsoare izotopii din fiecare dintre cei 20 de aminoacizi individuali care alcătuiesc proteinele. Este ca și cum am avea 20 de pixeli de lumină. Este mai bine, dar încă nu foarte nuanțat.

Noua noastră metodă merge și mai departe, prin măsurarea izotopilor într-un anumit atom de carbon pe fiecare aminoacid. Este ca și cum am vedea fiecare pixel din imaginea televizorului, ceea ce ne oferă informații metabolice uimitor de detaliate.

Găsirea carbonului potrivit

Noi am folosit o substanță chimică numită ninhidrina pentru a tăia și a izola atomul de carbon pe care îl doream din fiecare aminoacid. Apoi am analizat acești atomi de carbon proveniţi dintr-o parte (grupa carboxil) foarte activă, din punct de vedere metabolic, a aminoacidului cu ajutorul unui spectrometru de masă. Astfel am putut identifica amprentele izotopilor.

Această cercetare a început cu mai bine de un deceniu în urmă și s-a dezvoltat într-un proiect de colaborare între Universitatea Griffith și Queensland Health. În 2018, lucrând cu colegii din Japonia, am demonstrat că am putea folosi într-adevăr nihidrina pentru a izola atomii de carbon pe care-i dorim din aminoacizi.

Următoarea etapă a fost să combinăm tehnica noastră bazată pe ninhidrina cu un proces numit cromatografie lichidă de înaltă performanță prin care se pot separa diferite tipuri de aminoacizi.

În 2019, am putut raporta analiza izotopilor pentru mai multe mamifere diferite. Am descoperit că putem distinge o „amprentă” metabolică clară a fiecărui mamifer.

Cele patru faze ale metabolismului

În ultima noastră lucrare am testat o gamă mai largă de specii, inclusiv stridii, scoici, creveți, calmari și pești. Am descoperit că modelele izotopilor din aminoacizi ar putea fi urmărite până la biochimia mitocondriilor, minusculele centrale care furnizează energie din celulele tuturor animalelor și plantelor, precum și ale multor alte organisme.

Am identificat patru faze distincte ale metabolismului: crearea grăsimilor, distrugerea grăsimilor, crearea proteinelor și distrugerea proteinelor. Speciile combină aceste faze în moduri distincte pentru creștere și reproducere.

De exemplu, mamiferele adulte folosesc grăsimile pentru a-și regla temperatura, în timp ce creveții adulți își consuma propriile proteine ​​pentru a produce grăsimile de care au nevoie pentru reproducere.

Am constatat, de asemenea, la oamenii pe care i-am studiat un metabolism foarte echilibrat, ceea ce poate nu este surprinzător având în vedere alimentaţia noastră care este, în general, stabilă și bogată în nutrienți. Interesant, această constatare a fost destul de asemănătoare cu cea identificată în analiza unei probe de stridii.

În această lucrare am studiat indivizi cu un metabolism, în general, normal. Aplicațiile viitoare ar putea include studii ale unor indivizi cu un metabolism anormal (cancer, obezitate și înfometare).

Privind adânc în izotopii aminoacizilor vom putea înțelege mai bine metabolismul eucariotelor, la animale, plante și ciuperci.

Traducere după Ever wonder how your body turns food into fuel? We tracked atoms to find out