Wykorzystanie analiz metabolomicznych do oceny stopnia zanieczyszczenia środowiska

Tematem realizowanej przeze mnie pracy doktorskiej w Katedrze Fizjologii, Genetyki i Biotechnologii Roślin są: „Metaboliczne markery odpowiedzi i odporności siewek wybranych gatunków roślin na stresy abiotyczne”. Problematyka pracy w dużej mierze dotyczy metabolicznej odpowiedzi siewek na stresy abiotyczne. Czy można połączyć analizy metabolomu roślin z biomonitoringiem środowiska? Żeby poprawienie odpowiedzieć na to pytanie należy najpierw zastanowić się czym jest biomonitoring. Według ogólnodostępnego w Internecie słownika, pojęcie „biomonitoring” oznacza: „Działania polegające na obserwowaniu i ocenie stanu oraz zmian zachodzących w ekosystemach, składnikach różnorodności biologicznej i krajobrazowej, a także służące ocenie skuteczności stosowanych metod ochrony przyrody. W szerszym znaczeniu biomonitoring określany jest jakodziałania służące ocenie stanu środowiska za pomocą bioidentyfikatorów.” Można uznać, że rośliny są bioidentyfikatorami środowiska. Badając metabolizm roślin możliwe jest określenie czy żyją one w środowisku zanieczyszczonych. W związku z tym wydaje się, że analizy metabolomiczne roślin są idealne do biomonitoringu środowiska. Nie tylko pozwalają one ocenić w jakim stopniu zanieczyszczone jest środowisko, w którym roślina żyje, ale także w jaki sposób zanieczyszczenie wpływa na zmiany w metabolizmie roślin oraz jak roślina musi ‘przeprogramować’ swój metabolizm aby przetrwać w niekorzystnych dla niej warunkach.

Metabolomika jest nauką zajmującą się badaniem i analizą wszystkich metabolitów (metabolomu) w komórkach i tkankach żywych organizmów. Metabolity roślinne są produkowane podczas wzrostu, rozwoju i chemicznej obrony roślin przed zmianami klimatycznymi lub naturalnymi drapieżnikami. Analizy metabolomiczne można wykorzystywać do oceny stanu zanieczyszczenia środowiska poprzez oznaczenie zawartości substancji szkodliwych w organizmach roślinnych. Dzięki metabolomice możliwe jest wykrywanie zmian fizjologicznych w organizmie wywołanych obecnością w żywym ustroju substancji toksycznych.

Metabolity są produktami oraz półproduktami, które powstają podczas przemiany materii. Są to cząsteczki, których masa molekularna jest nie większa niż 1 kDa. U ludzi i zwierząt są to związki organiczne i nieorganiczne produkowane przez organizm. W przypadku roślin metabolity dzielimy na dwie podstawowe grupy, tzw. metabolity pierwotne oraz metabolity wtórne. Metabolity pierwotne są produktami podstawowych przemian metabolicznych, niezbędnych do wzrostu, rozwoju oraz reprodukcji. Natomiast metabolity wtóre nie są zaangażowane bezpośrednio w te procesy, jednak pełnią ważne funkcje ekologiczne.

Metoda ekstrakcji i platforma analityczna musi być starannie dobrana w zależności od rodzaju analizowanych metabolitów. Typowy sprzęt stosowany w analizach metabolomu to: jądrowy rezonans magnetyczny (ang. Nuclear Magnetic Resonance, NMR), spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (ang. Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FT-IR) i spektrometria mas (ang. Mass Spectrometry; MS) często w połączeniu z chromatografią gazową lub cieczową.

Strategie metabolomiczne wykorzystujące takie technologie charakteryzują się dwoma podejściami, zdefiniowanymi jako ukierunkowane i nieukierunkowane (ang.„targeted” i „non-targeted”). Podejście nieukierunkowane ma na celu zapewnienie przeglądu łatwo wykrywalnych metabolitów w dużej liczbie prób.

Podejście ukierunkowane pozwala na zoptymalizowanie pomiarów przeznaczonych do określonych grup metabolitów lub szlaków metabolicznych. Dzięki temu, oferuje ono korzyści w postaci poprawy ilościowej pozyskiwanych danych. W taki sposób można przygotować ocenę oddzielnych metabolitów, tj. kwasów organicznych, cukrów, wolnych aminokwasów i lipidów. Podejście to pozostaje najbardziej powszechnym i znajduje szerokie zastosowanie we wszystkich obszarach badań biologicznych.

Dzięki zastosowaniu w metabolomice wielu zaawansowanych technologii badawczych, możliwych jest kilka strategii analiz. Obecnie wyróżnia się cztery najbardziej popularne strategie:

• a) metaboliczne analizy celowane (ang. metabolite target analysis) – jest to podejście ograniczające się do identyfikacji jednego lub określonej grupy metabolitów; 
• b) profilowanie metaboliczne (ang. metabolite profiling) – skupia się na określonej grupie metabolicznej (np. aminokwasach) lub na metabolitach powiązanych ze sobą określonym szlakiem metabolicznym; 
• c) metaboliczny „odcisk palca” (ang. metabolite fingerprinting) – wykorzystywany jest do klasyfikacji próbek na podstawie ich pochodzenia lub znaczenia biologicznego. Jest to szybka i wydajna metoda, dzięki której uzyskuje się profile metaboliczne z surowych ekstraktów; 
• d) metaboliczny „odcisk stopy” (ang. metabolite footprinting) – polega na pomiarze metabolitów, które wydzielane są z komórek do otaczającego je środowiska. Jest to technika całkowicie nieinwazyjna, gdyż nie wymaga ekstrakcji metabolitów. 

Pomiary ilościowe i jakościowe szerokiego sprektrum metabolitów komórkowych zapewniają szczegółowy obraz stanu biochemicznego danego organizmu, który może zostać wykorzystany do monitorowania i oceny zarówno funkcji genów jak i oceny stanu środowiska. Jeśli jedna z roślin jest inna, np. w wyniku mutacji lub zaburzeń stanu środowiska, to jej podstawowy poziom metabolitów i to, w jaki sposób reaguje na zmiany środowiska, będą inne. Badania metabolomiczne mają na celu połączenie tych różnic z różnicami genetycznymi, które je pośrednio spowodowały. Powiązanie genomu i proteomu z metabolomem jest jednym z głównych zainteresowań badań ostatnich lat, prowadzonych na organizmach roślinnych.

Joanna Szablińska