Разработан новый подход к МРТ для изучения растений

Технологии «омики» — геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика — находятся на переднем крае открытий науки о растениях и системной биологии. Метаболом — совокупность метаболитов, конечных продуктов обмена веществ в клетке, ткани, органе или организме — постоянно меняющаяся система, в отличие от относительно стабильного генома. Концентрация метаболитов значительно колеблется как пространственно, так и во времени.

В биомедицине для исследований in vivo, в живом организме или клетке, чаще всего используют ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) или магнитно-резонансную томографию (МРТ). Науки о растениях раньше не применяли эти диагностические методы широко, хотя и хотели бы.

Международная группа ученых создала метод МРТ специально для использования в науках о растениях. Химический обмен насыщения (chemical exchange saturation transfer, CEST) позволяет неинвазивно получить доступ к данным о метаболизме сахаров и аминокислот в сложных органах-коллекторах (семенах, плодах, корнях и клубнях) важных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, ячмень, горох, картофель, сахарная свекла и сахарный тростник.

Научная работа опубликована в журнале Science Advances.

Стандартная ЯМР-томография биологической ткани основана на сигналах, генерируемых протонами воды или жиров. В разнообразных метаболитах концентрация протонов на три порядка величины ниже, чем у воды, поэтому in vivo обнаружение метаболитов требует подавления сигнала воды. В CEST-методе магнетизация передается от других молекул молекулам воды, а снижение сигнала от первичных молекул снижает сигнал от воды.

CEST позволяет обнаруживать различные метаболиты на основе их способности обмениваться протонами с водой. Это обеспечивает дополнительный контраст МРТ. Благодаря высокой чувствительности и низкой восприимчивости к неоднородностям магнитного поля CEST анализирует равномерные ботанические образцы, недоступные для традиционной магнитно-резонансной спектроскопии.

Исследовательская группа продемонстрировала, что CEST позволяет получать микроскопическое разрешение и динамическую оценку распределения сахаров и аминокислот, несмотря на магнитную неоднородность образцов. Эффективность метода не зависит от вида, сорта и органа растения.

Для ученых особенной ценностью стала возможность неинвазивно визуализировать метаболиты без необходимости предварительного маркирования или обработки образцов. Исследовательская группа продемонстрировала динамику метаболитов в растущих семенах, чего не позволяли традиционные методы. Селекционеры очень заинтересованы в знаниях о пространственно-временной динамике сахаров и аминокислот в органах-коллекторах. 

Визуализация динамики метаболитов в живых растениях позволяет установить связи между структурными и метаболическими взаимодействиями в реакциях растений на изменение среды. CEST открывает новые возможности для мониторинга динамических изменений в живых растениях. Это особенно важно для селекционных исследований путем in vivo.