Tehnologije „omike“ — genomika, transkriptomika, proteomika i metabolomika — su na čelu otkrića u savremenoj nauci o biljkama i sistemskoj biologiji. Međutim, za razliku od prilično statičkog genoma, metabolom i proizvodi koji se u njemu mere su veoma dinamični. U nauci, metabolom se odnosi na ukupnost svih malih molekula, takođe poznatih kao metaboliti, u biološkoj ćeliji, tkivu ili organizmu. Njihova koncentracija generalno veoma varira, kako prostorno tako i vremenski.
U oblasti biomedicine, jedna od najmoćnijih tehnoloških platformi koja omogućava in vivo metaboličke dijagnostičke i funkcionalne studije je slikanje nuklearnom magnetnom rezonancom (NMR) ili magnetna rezonanca (MRI). U nauci o biljkama, slična perspektiva je bila poželjna, ali nije istražena.
Ovaj metod bi sada mogao biti obezbeđen razvojem naučnika sa Julius-Makimilians-Universitat Vurzburg (JMU) i Lajbnic instituta za biljnu genetiku i istraživanje biljaka (IPK). Prenos zasićenja hemijskom razmenom (CEST) je nova metoda za MRI biljaka. Ova metoda omogućava neinvazivan pristup metabolizmu šećera i aminokiselina u složenim ponornim organima (seme, voće, koren i krtole) glavnih useva (kukuruz, ječam, grašak, krompir, šećerna repa i šećerna trska).
Za to su zaslužni Peter M. Jakob, profesor eksperimentalne magnetne rezonance na JMU, i dr Ljudmilla Borisjuk, šef radne grupe za alokaciju asimilata i NMR u IPK. Grupa predstavlja rezultate svoje studije u najnovijem broju časopisa Science Advances.
„Uobičajeno H NMR snimanje biološkog tkiva, na primer, oslanja se na signale koji prvenstveno potiču od vode ili lipidnih protona“, objašnjava Jakob, govoreći o pozadini istraživačkog projekta. Pošto je koncentracija protona metabolita najmanje tri reda veličine niža od koncentracije vode, in vivo detekcija metabolita zahteva efikasno potiskivanje signala vode.
Prenos zasićenja hemijskom razmenom (CEST), pristup koji se koristi u oblasti biomedicine, mogao bi da ponudi rešenje. U CEST-u, magnetizacija se prenosi sa drugih molekula na molekule vode tako da se efekat zasićenja (tj. smanjenje signala) koji je prvobitno bio na ciljanoj vrsti može posmatrati na vodi.
„Na taj način, CEST omogućava detekciju različitih metabolita na osnovu njihove sposobnosti da razmenjuju protone sa vodom, čime se obezbeđuje dodatni MRI kontrast“, kaže Sajmon Majer, prvi autor studije i istraživač na IPK Lajbnic institutu. „Zbog svoje visoke osetljivosti detekcije signala i niske osetljivosti na nehomogenosti magnetnog polja, CEST analizira heterogene botaničke uzorke nedostupne konvencionalnoj spektroskopiji magnetne rezonance.“
Rezultati su ohrabrujući. „Naše studije pokazuju da je CEST moćan MRI pristup koji olakšava in vivo metaboličku analizu u biljkama, omogućavajući mikroskopsku rezoluciju i dinamičku procenu distribucije šećera i aminokiselina uprkos magnetnoj heterogenosti uzoraka. Njegova primena na različite useve pokazuje da je CEST pristup vrstama, varijetetima i organima agnostički za neinvazivnu vizualizaciju metabolita bez potrebe za prethodnim obeležavanjem ili obradom uzorka“, objašnjava dr Borisjuk.
Istraživački tim je pokazao dinamiku metabolita u uzgoju semena, što je nemoguće korišćenjem konvencionalnih tehnika. Uzgajivači veoma traže znanje o prostorno-vremenskoj dinamici šećera i aminokiselina u organima za ponor. Njihova distribucija utiče na transport mase i metabolizam na mnogo načina; ovo znanje se na kraju uliva u poboljšanje useva.
CEST nudi neviđene mogućnosti za praćenje dinamičkih promena u metabolitima u živim biljkama. To je posebno važno za dublje razumevanje formiranja osobina i podržavanje istraživanja oplemenjivanja in vivo testiranjem metaboličkih odgovora na genetski inženjering i/ili razvojne promene.
„Vizuelizacija dinamike metabolita u živim biljkama je željeno sredstvo za premošćavanje strukturnih i metaboličkih interakcija u odgovorima biljaka na okruženja koja se stalno menjaju. Dakle, uvođenje CEST-a, koji vizualizuje unutrašnju strukturu tkiva i dinamiku metabolita, izbegavajući tragove koristeći samo jednu tehnološku platformu, MRI , je važna prekretnica ka ovom cilju.“
