代谢过程

从头脂肪生成(DNL)是脂肪和肝脏组织产生脂质代谢的关键过程。该途径的失调与肥胖、非酒精性脂肪性肝病和II型糖尿病密切相关。但是DNL在细胞内的研究非常困难，常规的脂质染料缺乏特异性，抗体和小分子染料很难特异性标记这些脂质体。虽然目前可以使用葡萄糖基代谢探针等同位素来标记这些物质，但是很难具备亚微米级别的空间分辨率，同时无法对细胞内部进行成像，也不能提供脂质的特性和其他环境生物分子的组成信息。这些都极大的限制了脂质体的相关研究，尤其是活细胞内脂质代谢的研究。美国PSC公司研发的全新非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage的出现为上述问题提供了新的解决方案。mIRage采用新型光学光热诱导共振（O-PTIR）技术，不仅具备传统FTIR的特性，可以对物质的分子结构进行解析，还克服了传统红外空间分辨率不足，无法精细表征细胞内部结构的问题，其分辨高达500 nm，可在亚微米尺度上实现对细胞结构的观测，与光学显微镜基本相同，有助于理解亚细胞器结构。设备光热膨胀技术能够在不接触样品的情况下进行检测，大幅度简化了样品制备过程，全程对样品无污染，并且没有米氏散射问题，可在不平整的表面上取得良好的谱线。而其特有的探测机制使得mIRage能够很大限度上避免水的干扰，真正实现活细胞的探测。 近期，耶鲁大学成功安装了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，并在活细胞脂肪代谢研究中取得了新的进展！在该研究中，Sydney O. Shuster等人使用非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage观测DNL在活细胞和固定脂肪细胞中的分布。作者认为在DNL、葡萄糖或其他碳水化合物代谢形成游离脂肪酸(FFA) 和甘油三酯的途径中，首先形成糖酵解丙酮酸，后被带进线粒体，通过TCA循环转化为柠檬酸盐。柠檬酸盐再转化为酰基辅酶a和丙二酰辅酶a用于脂肪酸合成并产生甘油三酯，然后储存在脂滴中作为能量储备。通过mIRage对固定的3T3-L1细胞的成像分析，作者通过脂肪代表性的酯羰基振动1747cm-1成功定位到细胞中的大部分脂质、甘油三酯的分布，并通过1655和1541cm-1处的酰胺-I和酰胺-II带定位蛋白质。DNL的代谢途径与固定细胞的明场与红外脂质体与蛋白的热图成像 为了跟踪葡萄糖代谢和DNL，作者给细胞喂入13C葡萄糖来代替12C葡萄糖。因为它的分子振动模式与所涉及的原子质量增加导致红外波数的红移，通过检测发现羰基的拉伸震动红移了44 cm-1。有趣的是1239 cm-1的波段本身不能明确地区分给C-O-C或PO2 ，而未标记细胞中的不对称拉伸在13C标记后时消失，这可能是红移到相邻的峰中导致的。这表明该峰值的主要来源是C-O-C 甘油三酯和/或胆固醇酯的不对称拉伸震动，并且磷脂不会显著地干扰3T3-L1脂肪细胞中的信号。而蛋白信号在这一过程中没有变化，表明蛋白质不会随着13C葡萄糖的供给而偏移。与之相对，CH3和CH2相关的1450cm-1波段蛋白质和脂类的变形和伸展震动的出峰不变。这可能是由于形成的甘油三酯来自游离脂肪酸和甘油的酯化。虽然两者都是 FFA和甘油由葡萄糖通过糖酵解产生，但它们以不同的速度产生和回收，影响着这些波段的移动速率。进一步对加入13C葡萄糖24、48和72小时后的细胞进行检测，结果显示平均单细胞13C/12C比率在测试期间(72小时)持续增加，最终比率为0.54±0.14。其中大部分的13C转化成甘油三酯，并且DNL在空间上也是异质的。对不同时间点固定的细胞进行观测和对比其中的DNL含量 在活细胞实验中，也取得了和固定细胞类似的结果，并且活细胞的光谱图像比固定的更清晰，细胞和与蛋白质酰胺-I信号重叠较少证明了这项技术甚至可以检测到活细胞中甘油三酯到12C甘油三酯13C比率的微小差异。活细胞的DNL含量观测综上所述，非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage在细胞成像中具有优异的潜力，可以提供脂质种类的信息，提供对低浓度物质如游离脂肪酸的定位，并允许对每个样品的脂质和蛋白质光谱特征进行全面位置光谱分析，并且能够应用长时间观测。这项技术未来将可以用于绘制细胞系和细胞内DNL的比率、疾病状态，进一步揭示DNL 导致代谢紊乱的原因。在评估针对调节DNL和治疗疾病的药物方面提供诸多帮助。 参考文献：Spatiotemporal Heterogeneity of De Novo Lipogenesis in Fixed and Living SingleCells. J. Phys. Chem. B 2023, 127, 2918&minus 2926为满足国内日益增长的生物红外表征需求，更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，Quantum Design中国北京样机实验室引进了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，为您提供样品测试、样机体验等机会，期待与您的合作！

代谢组学工具进行环境和健康研究的分子过程新思路研讨会作为慕尼黑上海生化展的同期活动之一，于2012年10月18日召开，本次研讨会邀请了M.Lucio和Ph.Schmitt-Kopplin两位专家做学术报告，提出了代谢组学研究的新思路和新方法，吸引了众多专业人士到会交流，仪器信息网作为支持媒体也参加了此次会议。 　　现代分析工具中分子靶向和非靶向方法的应用能够快速而准确地进行诊断和监控治疗效果，因此被广泛应用于健康和环境科学中。代谢组学方法主要研究代谢反应，将过去的基因组学、蛋白质组学和转录组学等组学分支整合起来，是目前发展极快的学科。 　　从传统的人类健康定义出发，代谢组学主要对代谢过程中产生的中间物和最终产物的小分子(代谢分子)浓度进行测定。测试对象主要是各类生物样本和体液如尿液、唾液、血浆、组织样本等 甚至一次简单的呼吸(呼出气体的浓缩物)也能反映出健康状况。同样，该方法也可用于环境科学中对给定系统中的所有小分子在不同层面上进行历史记录，囊括生命体的代谢分子和他们所有的生物/非生物转化物的情况。目前，有机体代谢物的总数量仍然不甚清楚 科学家们的预计数量从几千到二十万甚至一百万不等，但有可能即便是百万级的估量也显得保守。如果我们把非有机物生存必需的植物和细菌等的代谢物(亦称次级代谢物)算进去，这个数据就会更加庞大。代谢物的可能数量远远大于对应的基因数量，因此，目前我们的代谢物数据库最多收纳了其总数的2%。在有机系统环境中的情况则更为复杂，因为生物和非生物的成岩反应使化学空间增大，就会产生更多类型的化学物。对代谢物进行分子层面上的系统分析需要使用分离技术、光谱学和光谱测量技术等高解析度分析手段。本次研讨会提出了利用代谢组学工具进行环境和健康研究的分子过程的新的研究手段，必将促进代谢组学的发展。 会议现场

记者21日从中科院海洋研究所获悉，该所研究员张鑫课题组和孙超岷课题组共同合作，基于共聚焦显微拉曼技术，通过三维定量成像实现了长期、近实时、非破坏性的微生物监测，对微生物生长和代谢情况进行可视化及定量分析，为未来分析微生物原位生物过程提供了新思路。研究成果近日发表于《微生物学谱》上。固体培养基培养的菌落的三维定量成像示意图 课题组供图记者了解到，张鑫课题组在之前的工作中，观测到我国南海冷泉环境中单质硫含量丰富。随后，孙超岷课题组发现了冷泉细菌Erythrobacter flavus 21-3可以高效氧化硫代硫酸钠生成单质硫，张鑫课题组通过拉曼光谱鉴定后发现单质硫结构为环状S8，研究成果发表在生物学领域权威期刊《国际微生物生态学会杂志》。后续两个课题组合作将E. flavus 21-3及其突变株布放到深海冷泉喷口附近进行原位培养，证实该菌株在深海原位环境中也能形成硫单质，相关成果发表在国际生物学期刊《微生物学》，为解释我国南海冷泉喷口广泛分布硫单质的成因提供了重要理论依据。E. flavus 21-3在高氧条件下的三维拉曼成像分析 课题组供图由此可见，微生物是深海硫形成和循环的重要贡献者，其介导的硫代谢的研究对于了解深海硫循环至关重要。然而，由于深海环境极端复杂，采样困难、微生物难于分离培养等因素，以及缺少对硫元素的形成的近实时无损的监测方法，深海微生物的原位探测面临巨大挑战。目前，主要通过经典的生物和化学方法研究硫元素的生成过程，例如X射线吸收近边结构、高效液相色谱、透射电子显微镜、离子色谱法或化学计量法等。但是，这些方法主要通过取样来获知特定时间点的微生物代谢情况，不能在不破坏样品的前提下连续监测其在时间尺度上的代谢过程；并且，其中一些方法样品制备复杂，会破坏细胞的原位真实性；也可能会出现取样不均匀及污染的情况，导致难以实现连续的原位观察。因此，亟需新的方法突破此瓶颈。低氧条件下E. flavus 21-3的三维拉曼成像分析 课题组供图共聚焦显微拉曼三维成像技术拥有低成本、快速、无标签和无破坏性的优势，具有将定性、定量和可视化完美结合的潜力，为我们解决相关问题提供了新的思路。因此，为证明此技术的潜力，研究团队构建了一套固态基底上微生物群落拉曼三维定量原位分析方法，将光学可视化与拉曼定量分析相结合，可在时间和空间两个维度上无损定量表征微生物群落代谢过程。该技术已成功应用到深海冷泉细菌E. flavus 21-3硫代谢过程的原位监测。据介绍，基于拉曼三维成像进行体积计算和比率分析，课题组对不同环境下的菌落生长和代谢进行了量化，发现了生长和代谢方面不为人知的细节，为厘清深海冷泉生物群落中广泛分布的硫单质成因提供了重要技术支持。“据我们所知，这是首次尝试长期监测菌落在固体培养基中生长的原位无损技术。我们能够快速确定代谢产物，推断反应发生的途径，并快速筛选产硫细菌。由于这一成功的应用，不仅证明了该方法在未来对微生物原位过程的可视化及定量分析的潜力，也为研究深海中附着在岩石沉积物等固体表面上的微生物提供了新的思路。”张鑫对《中国科学报》表示。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导专项、中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目、泰山青年学者计划等项目联合资助。