Ilmuwan Kanada sedang menjelaskan metabolisme gelap
Nature

Ilmuwan Kanada sedang menjelaskan metabolisme gelap

Ilustrasi konseptual menunjukkan peneliti menyinari molekul.

Kredit: Sam Falconer

Ketika ahli biokimia menganalisis metabolome – seluruh rangkaian molekul kecil dalam sampel sel atau jaringan – mereka akan beruntung untuk mengidentifikasi sebagian kecil dari mereka. Dalam eksperimen kimia analitik tingkat lanjut, tanda tangan yang dihasilkan oleh sebagian besar molekul ini, yang disebut metabolit, termasuk peptida, lipid, dan karbohidrat, tidak akan cocok dengan struktur molekul apa pun yang diketahui.

“Ini adalah teka-teki yang membuat Anda terjaga di malam hari,” kata Rafael Montenegro-Burke, yang pindah dari Amerika Serikat ke Kanada pada tahun 2020 untuk mempelajari sebagian besar metabolisme manusia yang tidak teridentifikasi, yang dikenal sebagai ‘metabolom gelap’, sebagai bagian dari penelitiannya. bekerja di Pusat Penelitian Seluler dan Biomolekuler Universitas Toronto, di Toronto, Kanada.

Sebuah referensi untuk materi gelap, energi yang sulit dipahami dan komponen materi Semesta, metabolome gelap menggambarkan “hal-hal yang terus kita lihat, menggunakan instrumen seperti spektrometer massa, tetapi yang tidak dapat kita identifikasi”, kata David Wishart, seorang ahli metabolomik. peneliti di University of Alberta di Edmonton, Kanada. “Kami menjalankan sampel, kemudian melihat semua senyawa yang diketahui, dan 95% sinyal masih belum dapat kami identifikasi.” Jika kita tidak tahu apa itu dark metabolome, kata Wishart, kita tidak akan tahu betapa pentingnya hal itu, terutama dalam konteks kesehatan manusia.

Ketika bidang metabolomik muncul sekitar 20 tahun yang lalu, seluruh metabolisme manusia pada dasarnya adalah materi gelap, kata Wishart. “Sekitar tahun 2005, saya memulai sebuah proyek yang disebut Proyek Metabolom Manusia, sebanding dengan Proyek Genom Manusia, untuk mencoba mengidentifikasi semua senyawa yang diketahui dalam tubuh manusia,” katanya. Tujuannya adalah untuk membuat database metabolit manusia yang dapat diakses secara bebas. Pada saat itu, daftar senyawa yang tidak diketahui berjumlah sekitar 2.180, kata Wishart. Sejak itu menggelembung menjadi lebih dari 170.000. “Kami pikir itu mungkin akan lebih dari 4 juta pada saat kami selesai,” katanya.

Metabolomik adalah bidang penelitian ‘omics terbaru, yang menyelidiki sel, jaringan, atau seluruh organisme dari serangkaian titik pandang yang bertingkat. Genomik mengambil pendekatan tingkat tertinggi, memetakan seluruh rangkaian gen dalam DNA organisme; transcriptomik melihat messenger RNA (mRNA), disalin dari DNA. Proteomik adalah studi tentang protein, yang dihasilkan dari terjemahan mRNA. Menelusuri sepenuhnya, metabolomik melihat molekul kecil, yang didefinisikan sebagai ukuran kurang dari 1.500 dalton (satu dalton sama dengan massa satu atom hidrogen) yang dihasilkan dari metabolisme seluler. Mereka tidak hanya dipengaruhi oleh gen dan protein kita, tetapi juga oleh apa yang kita makan, hirup, atau terpapar, serta susunan kompleks metabolit yang dihasilkan oleh mikrobioma usus kita.

Montenegro-Burke sedang memetakan metabolisme gelap dari berbagai organisme yang relevan dengan penelitian kesehatan manusia, seperti tikus, ragi, lalat buah, dan cacing gelang. Dia menggunakan spektrometri massa untuk mengukur berat molekul setiap metabolit yang tidak diketahui, dan untuk menilai cara karakteristik setiap senyawa pecah menjadi fragmen selama analisis, yang menghasilkan sidik jari yang kaya akan informasi struktural.

Metabolom, yang bervariasi dari menit ke menit sebagai respons terhadap rangsangan internal dan eksternal, menginformasikan penelitian tentang hubungan antara susunan genetik sel atau organisme (genotipe) dan sifat-sifatnya yang dapat diamati (fenotipe). Tapi, mengamankan dana untuk penelitian metabolomik itu sulit. Meskipun sebagian besar universitas yang didanai dengan baik memiliki spektrometer massa akses bersama, peneliti metabolomik membutuhkan mesin canggih mereka sendiri. “Tanpa spektrometer massa throughput tinggi, Anda tidak dapat melakukan metabolomik,” kata Sara Sharifpoor, direktur operasi penelitian dan strategi di Donnelly. Montenegro-Burke “sangat beruntung” menerima hibah infrastruktur Can$400,000 (US$313.266) dari Canadian Foundation for Innovation pada bulan Agustus, katanya. “Karena investasi di muka tinggi, dan butuh waktu lama untuk menghasilkan data, dalam iklim pendanaan Kanada, lebih sulit untuk mengatakan bahwa pekerjaan ini segera relevan.”

Penelitian dark-metabolome mungkin memenuhi syarat untuk pendanaan Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), tetapi “sangat intensif sumber daya, tidak mungkin Anda dapat melakukannya dengan hibah NSERC”, kata Ian Lewis, seorang peneliti di the Universitas Calgary di Alberta, Kanada. Lewis adalah bagian dari studi mikrobioma inang yang menunjukkan bagaimana obat antipenolakan umum menyebabkan kolitis sebagai efek samping. Obat yang dimetabolisme sedang diaktifkan kembali di usus oleh enzim yang sebelumnya tidak dikenal yang dilepaskan oleh bakteri usus (MR Taylor dkk. Sci. Adv. 5, eaax2358; 2019).

Memetakan metabolisme gelap membutuhkan keahlian dalam biologi, kimia, dan teknik analisis. “Ini juga membutuhkan pemahaman yang baik tentang kimia, pembelajaran mesin, dan kecerdasan buatan,” kata Wishart. Itu berarti membentuk tim multidisiplin. “Di Universitas Alberta, ada saya sendiri di bidang biologi, kemudian kelompok yang dipimpin oleh Liang Li di bidang kimia, dan kelompok di bidang pembelajaran mesin dan ilmu komputasi yang dipimpin oleh Russ Greiner.”

Kolaborasi Metabolomik meluas ke seluruh Kanada. Lewis dan Wishart adalah dua dari delapan ‘pemimpin simpul’ dari jaringan di seluruh Kanada, Pusat Inovasi Metabolomik, yang dibentuk sebagai inisiatif bersama antara Universitas Alberta dan Universitas Victoria pada tahun 2011. Diskusi bulanan membantu mengkonsolidasikan kolaborasi di seluruh jaringan, yang sekarang mencakup peneliti di lima universitas.

Dengan dorongan ke metabolomik gelap selama dekade terakhir, tidak banyak lagi yang dapat dilakukan dengan teknik spektrometri massa standar dan spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR), catatan Lewis. NMR, teknik pelengkap, mengidentifikasi molekul dengan mengukur respons karakteristik atom komponennya terhadap medan magnet. “Ini sekarang didorong oleh orang-orang di tepi gelembung teknologi,” kata Lewis. “Orang-orang spektrometri massa dan NMR terbaik adalah orang-orang yang benar-benar mendorong batas itu.”

Seiring bertambahnya jumlah senyawa yang tidak diketahui dalam metabolisme manusia, tim Universitas Alberta juga berfokus pada pengembangan alat komputasi untuk membantu mengidentifikasi lebih banyak senyawa misteri yang terdeteksi oleh spektrometri massa dan NMR. “Kami telah beralih dari mencoba menghitung senyawa ini dengan tangan, menggunakan instrumentasi, hingga menanyakan apa yang dapat dilakukan komputer untuk membantu kami dengan metabolisme gelap,” kata Wishart. Tim sedang mengembangkan perangkat lunak untuk memprediksi struktur molekul mana yang mungkin ditemukan dalam sampel, dan seperti apa spektrum massa metabolit yang diharapkan.

Pendekatan komputasi tidak dapat secara rutin dan jelas menetapkan struktur sebagian besar molekul misterius dalam sampel, berdasarkan spektrometri massa. Namun, semakin, perangkat lunak setidaknya dapat mengidentifikasi kelas senyawa organik yang mereka miliki. “Itu masih merupakan kemenangan besar,” kata Wishart. Dari mengidentifikasi hanya 5% dari metabolisme manusia, tim sekarang dapat menetapkan kelas senyawa hingga setengah dari molekul dalam sampel, katanya, yang menguntungkan bidang penelitian lainnya.

“[Using] perangkat lunak yang kami kembangkan untuk membantu kami memprediksi spektrum massa, kami telah bekerja dengan ahli kimia forensik untuk membantu mereka mengidentifikasi obat jalanan baru, ”kata Wishart. Alat yang sama juga dapat membantu mempercepat pencarian produk alami dengan sifat yang berpotensi bermanfaat.

“Itu analogi mengapa pergi ke Bulan,” kata Wishart. “Proses menuju ke sana memungkinkan kami mengembangkan komputer dan teknologi mesin roket, serta konsep sains tim. Metabolom gelap telah menciptakan serangkaian solusi praktis yang beriak melalui semua kimia, semoga membantu kita memahami alam semesta kimia di sekitar kita.”

Posted By : keluaran hk 2021