В процессе пробоподготовки многие ценные летучие метаболиты могут быть потеряны за счет процессов испарения и удержания летучих веществ при высушивании экстракционных растворов. Мы показали, что испарение растворителя приводит к неизбежной потере недиссоциирующих летучих метаболитов с низкой температурой кипения и высоким давлением пара (таких как ацетон и этанол). Сохранение диссоциирующих летучих соединений (в первую очередь органических кислот RH) при испарении зависит от наличия в растворе буферных солей, которые отвечают за поддержание нейтрального pH. Кислота остается в растворе до тех пор, пока она присутствует преимущественно в диссоциированном R- состоянии. На последней стадии выпаривания растворителя буферные соли выпадают в осадок, образуя твердую матрицу для улавливания метаболитов в остатке. При этом осаждение буфера приводит к снижению pH раствора, увеличению доли RH в ассоциированном состоянии и ускорению улетучивания RH. Таким образом, восстановление RH определяется конкуренцией между улетучиванием растворителя в ассоциированной форме RH и захватом метаболитов в твердой матрице. Сохранение летучих кислот в остатке после высушивания экстракта может быть улучшено либо добавлением буферных солей для поддержания высокого pH, либо неполным высушиванием образца.
AMDB является общедоступной базой данных (https://amdb.online) и включает в себя количественные данные о составе и концентрациях метаболитов в тканях диких, домашних и лабораторных животных: рыб, птиц, млекопитающих. В базе также представлены ЯМР и ВЭЖХ-МС спектры метаболомных экстрактов и имеются инструменты для статистического анализа и сравнения метаболомных данных. В настоящее время в базе присутствуют данные по 45 видам животных, 826 образцам, 14 типам биологических тканей, и 161 метаболиту. Мы считаем, что AMDB станет широко используемым инструментом в научном сообществе, поскольку на настоящий момент имеет место значительный недостаток данных о типичных базовых концентрациях метаболитов в тканях модельных животных, что осложняет исследования в самых разных фундаментальных и прикладных научных областях, включая медицину, фармакологию, эволюционные исследования, а также экологию.
Установлено, что защита глаза человека и животных от УФ излучения базируется на двух типах соединений – молекулярных УФ фильтрах и антиоксидантах. УФ фильтры поглощают энергию УФ света и переводят ее в тепло, а антиоксиданты тушат триплетные возбужденные состояния и нейтрализуют образовавшиеся радикалы. Впервые обнаружено, что известный кофермент никотинамид-аденин-динуклеотид (NADH) играет роль УФ фильтра в хрусталиках хищных птиц. Хемометрический анализ показал, что различия между метаболомным составом хрусталиков с низким и высоким содержанием NADH следует относить скорее к таксономическим особенностям видов птиц, чем к влиянию низкого соотношения [NAD+]/[NADH]. Мы объясняем это наблюдение низкой метаболической активностью в клетках волокон хрусталика, которые составляют основную часть его ткани, что обусловливает консервативность состава метаболома. Линзовые УФ-фильтры защищают сетчатку и хрусталик от фотоиндуцированных повреждений и улучшают остроту зрения за счет снижения хроматических аберраций, поэтому полученные результаты вносят вклад в понимание чрезвычайно высокой остроты зрения хищников.
Овотиол А (OSH) - один из самых сильных природных антиоксидантов. В данной работе мы раскрываем фотопротекторные свойства данного соединения благодаря проведению реакций in vitro вкупе с измерениями констант скоростей и параметров Аррениуса процессов окисления OSH под действием H2O2 и восстановления окисленного овотиола OSSO под действием GSH. Кроме того, получены спектры поглощения промежуточных продуктов реакции - аддукта OSSG и сульфеновой кислоты OSOH. Мы обнаружили, что OSH эффективно гасит триплетное состояние кинуреновой кислоты с почти диффузионно контролируемой константой скорости. Этот вывод указывает на то, что OSH служит отличным фотопротектором, подавляющим пагубное влияние солнечного УФ-облучения; это предположение объясняет высокую концентрацию OSH в хрусталике рыбы, рассмотренное в предыдущей работе (2019). Уникальные антиоксидантные и фотопротекторные свойства OSH открывают многообещающие перспективы для его использования в лечении заболеваний человека.
В метаболомике с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС) анализируется больше разнообразие метаболитов в биологических тканях или жидкостях: количество метаболитов исчисляется сотнями и даже тысячами. Анализ таких данных вручную сильно затруднён, поэтому обычно для анализа ВЭЖХ-МС данных прибегают к автоматизации с использованием специализированных алгоритмов. К сожалению, надежность и точность современных алгоритмов недостаточно высока, по некоторым оценкам доля ложных сигналов может достигать 20-50%. В нашей лаборатории был впервые реализован алгоритм обработки ВЭЖХ-МС данных, основанный на принципах анализа «больших данных» (BigData) с использованием современных методов машинного обучения – нейронных сетей. Использование нейросетей (CNN) позволило существенно увеличить надежность и точность нахождения и интегрирования пиков, и достигнуть качества, при котором доля ложных сигналов не превышает 5%.
Впервые в мире в хрусталиках пресноводных рыб был обнаружен овотиол (OSH) – один из самых мощных антиоксидантов, существующих в живой природе. Ранее OSH находили только в тканях морских беспозвоночных. Обнаружение OSH в миллимольных концентрациях в хрусталиках рыб меняет современную концепцию окислительно-восстановительных процессов в хрусталике: OSH дезактивирует активные формы кислорода (ROS), а глутатион восстанавливает окисленный овотиол OSSO.
В настоящей работе мы показываем, что свойства природных УФ фильтров хрусталика человека (кинуренин, KN, и его производные) могут быть значительно улучшены за счет введения в их структуру ненасыщенной двойной связи. По сравнению с исходными кинуренинами, улучшение заключается в более быстрой и эффективной гибели возбужденных состояний без образования химически активных реакционных частиц (триплетные состояния, радикалы) в значительно более широком диапазоне растворителей различной полярности и протонности. Механизм столь быстрой гибели возбужденных состояний заключается в полной перестройке структуры модифицированного KN при электронном возбуждении – переходом из плоской структуры в основном состоянии в конформацию с двумя взаимно ортогональными подструктурами. Такая перестройка приводит к коническому пересечению поверхностей потенциальной энергии возбужденного и основного состояний, обеспечивая быстрый переход из электронного возбужденного в основное состояние. Таким образом, чрезвычайно быстрая и эффективная внутренняя конверсия в молекуле модифицированного KN открывает путь для разработки новых типов органических УФ-фильтров и их применения в области материаловедения, косметики и медицины.
Установлены изменения, обусловленные развитием катаракты, в протеомном и метаболомном составах человеческого хрусталика. Выяснены механизмы фотоиндуцированной агрегации белков, приводящей к помутнению хрусталика. Дальнейшие работы позволят установить детальные механизмы катарактогенеза и предложить новые подходы для профилактики и лечения возрастной катаракты.
