Среда, 21 февраля, 2024
ДомойХимияОбъяснение гликонауки: сахарная оболочка жизни

Объяснение гликонауки: сахарная оболочка жизни

- Advertisement -

Гликобиология, выходящая за пределы химии углеводов, в настоящее время является ключевой областью понимания молекулярных механизмов жизни. Гликаны, необходимые для выполнения различных биологических функций, находятся в центре внимания революционных исследований и технологических инноваций, раскрывающих их решающую роль в здоровье и заболеваниях. Фото: SciTechDaily.com

Исследователи работают над развитием области гликонауки, освещая важную роль углеводов для здоровья и болезней человека.

В самом узком смысле гликобиология — это изучение структуры, биологии и эволюции гликанов, углеводов и молекул, покрытых сахаром, присутствующих в каждом живом организме. В качестве недавнего симпозиум в Массачусетском технологическом институте ясно, что эта область находится в разгаре возрождения, которое может изменить понимание учёными строительных блоков жизни.

Первоначально возникшая в 1980-х годах для описания слияния традиционных исследований в области химии углеводов и биохимии, гликобиология стала охватывать гораздо более широкий и междисциплинарный набор идей. «Гликосаука» на самом деле может быть более подходящим названием для быстро развивающейся области, отражающей ее широкое применение не только в биологии и химии, но также в биоинженерии, медицине, материаловедении и т. д.

«Становится все более очевидным, что эти гликаны играют очень важную роль в здоровье и болезнях», — говорит Лаура Кисслинг, профессор химии Novartis. «Поначалу это может показаться пугающим, но разработка новых инструментов и определение новых видов взаимодействий требуют именно тех навыков творческого решения проблем, которыми люди обладают в Массачусетский технологический институт».

Сахарная оболочка тела

Гликаны включают разнообразный набор молекул с линейной и разветвленной структурой, которые имеют решающее значение для основных биологических функций. Без каких-либо известных исключений все клетки в природе покрыты этими молекулами сахара — от сложных цепочек сахаров, окружающих большинство клеточных поверхностей, до конъюгированных молекул, образующихся, когда сахара прикрепляются, как каркас, к липидам и белкам. Они абсолютно необходимы для жизни. Например, Кисслинг указывает, что самой распространенной органической молекулой на планете является углеводная целлюлоза.

«Связывание сперматозоида с яйцеклеткой опосредовано взаимодействием белка и углевода», — говорит она. «Никто из нас не существовал бы без этих взаимодействий».

Хотя разговоры об углеводах и сахаре могут заставить некоторых людей сосредоточиться на своем рационе, гликаны на самом деле являются одними из самых важных биомолекул. Они хранят энергию и, в некоторых случаях, как целлюлоза, обеспечивают структурную основу для многоклеточных организмов. Они опосредуют связь между клетками; влиять на такие взаимодействия, как между хозяином и паразитом; и формируют иммунные реакции, прогрессирование, развитие и физиологию заболевания.

В лаборатории профессора Лоры Кисслинг исследователи работают над пониманием белково-углеводных взаимодействий на молекулярном уровне, таких как белок человеческого интеллекта-1 (hiTLN-1), показанный здесь. Понимание гликобиологии белка может способствовать разработке новых антибиотиков и противомикробных препаратов. Фото: Лаборатория Кисслинга.

«Оказывается, некоторые из этих структур, о существовании которых в организме в таком изобилии до недавнего времени мы даже не подозревали, имеют очень много различных биологических функций», — говорит Эндрю и Эрна Витерби, профессор биологической инженерии Катарина Риббек. «С таким быстрым расширением знаний кажется, что мы только начинаем понимать, насколько разнообразны и важны эти функции для биологии».

Лучше понимая, насколько вездесущи и важны эти молекулы, исследователи в таких прикладных областях, как биотехнология и медицина, обратили свое внимание на гликонауку как на инструмент для определения причин заболеваний.

Многие заболевания связаны с дефектами производства гликанов в организме или проблемами с гликозилированием — процессом, посредством которого углеводы прикрепляются к белкам и другим молекулам. Это включает в себя определенные формы рака. Было даже показано, что раковые клетки маскируют себя определенными гликопротеинами, чтобы уклониться от иммунного ответа.

С другой стороны, гликаны могут быть хранилищем потенциальных терапевтических средств. Например, разжижитель крови Гепарин, один из самых продаваемых в мире рецептурных препаратов, представляет собой препарат на основе углеводов.

Гликаны и сахаросвязывающие белки, такие как лектины, даже помогают влиять на обмен микробами через слои слизи человеческого тела, от мозга до кишечника. Гликаны, свисающие со слизи, взаимодействуют с микробами, пропуская полезные и снижая вирулентность проблемных, прерывая передачу сигналов клетками или не позволяя патогенам выделять токсины.

Новые инструменты для развития старой науки

Несмотря на то, насколько важна эта «сахарная оболочка», в течение долгого времени молекулярные биологи фокусировались на нуклеиновых кислотах и ​​белках, уделяя относительно мало внимания сахарам, которые их покрывают.

«Инструменты, которые у нас есть для изучения функций других молекул, в основном отсутствуют для гликанов», — говорит Кисслинг, который также является членом Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда.

Например, ДНК и РНК последовательности клеток предсказывают, какие белки производит эта клетка, поэтому ученые могут отслеживать, где находится белок и что он делает, используя генетически закодированную метку. Но структура гликанов не так явно закодирована в клеточной ДНК, и один белок может быть украшен множеством различных цепочек углеводов.

Кроме того, огромное разнообразие форм, которые могут принимать углеводы, а также тот факт, что они быстро расщепляются в кровотоке, затрудняют синтез гликанов или нацеливание их на разработку лекарств. Поэтому для их отслеживания необходимы новые творческие методы.

Это классическая ситуация с курицей и яйцом. Поскольку ученые лучше понимают важность гликанов для многих биологических процессов, это побудило их разрабатывать более совершенные инструменты для изучения гликанов, что, в свою очередь, дает еще больше данных о том, на что способны эти молекулы. Фактически, в 2022 году Нобелевская премия была присуждена Кэролайн Бертоцци из Стэнфордского университета, пионеру гликобиологии, за ее работу по отслеживанию молекул в клетках, которую она и другие применили к гликанам.

Но искусственный интеллект может способствовать эволюционному скачку в этой области.

«Я думаю, что гликобиология более чем любая другая область созрела и готова для интерпретации ИИ», — говорит Риббек, объясняя, как ИИ может позволить ученым читать «гликановый код» так же, как они это делают с геномом человека. Это позволило бы исследователям предсказать реальную функцию гликана на основе данных о его структуре. Благодаря этому они смогут определить, какие изменения приводят к заболеваниям или повышают восприимчивость к ним, и, что наиболее важно, найти способы устранения этих дефектов.

Меж- и трансдисциплинарные усилия

Растущий интерес к вычислениям отражает присущую ей междисциплинарность, которая с самого начала определяла гликонауку.

Например, в Массачусетском технологическом институте по всему институту проводятся соответствующие исследования. Кисслинг описывает Массачусетский технологический институт как «площадку для междисциплинарных исследований», которая позволила добиться значительных успехов в области биотехнологий, исследований рака, наук о мозге, иммунологии и многого другого.

На химическом факультете Кисслинг изучает углеводсвязывающие белки и то, как их взаимодействие с гликанами влияет на иммунную систему. Она также работает с Брайаном Брайсоном, доцентом кафедры биологической инженерии, и Деборой Хунг, основным преподавателем Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, используя аналоги углеводов для проверки различий в штаммах туберкулеза в Южной Африке. Тем временем доцент кафедры биологической инженерии Джессика Старк разрабатывает новаторские подходы, позволяющие лучше понять роль гликанов в иммунной системе. Тоби Они, научный сотрудник Института биомедицинских исследований Уайтхеда, ищет гликаны, которые помогут обнаружить и воздействовать на опухоли при раке поджелудочной железы. Барбара Империали, профессор биологии и химии выпуска 1922 года, изучает углеводы, которые окружают клетки микробов, таких как бактерии, а профессор Мэтью Шоулдерс на химическом факультете изучает роль гликанов в синтезе и сворачивании белков.

«Мы находимся в очень захватывающем и уникальном положении, объединяя дисциплины для решения и ответа на совершенно новые вопросы, имеющие отношение к болезням и здоровью», — говорит Риббек. «Эта область сама по себе не нова, но новым является вклад, который MIT , в частности, может быть достигнуто благодаря творческому сочетанию науки, техники и вычислений».

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме