Дослідники створили інтерактивну молекулярну карту людського тіла під назвою COmics на основі обширних даних мультиоміки. Інструмент дозволяє дослідникам досліджувати молекулярні процеси та особливості, пов’язані з такими захворюваннями, як діабет, відкриваючи значний потенціал для майбутніх відкриттів.

Дослідники Weill Cornell Medicine в Катарі (WCM-Q) розробили детальну молекулярну карту людського тіла та його складних фізіологічних процесів, проаналізувавши тисячі молекул із зразків крові, сечі та слини, зібраних у 391 добровольця.

Дані були інтегровані для створення потужного інтерактивного візуального веб-інструменту під назвою Connecting Omics (COmics), який можна використовувати для дослідження складного молекулярного складу людини та виявлення основних рис, пов’язаних з різними захворюваннями.

Молекулярні процеси в організмі людини стосуються хімічних реакцій і взаємодій, що відбуваються в клітинах і між різними клітинами, включаючи важливі функції, такі як реплікація ДНК , синтез білка, виробництво енергії, клітинний зв’язок і різні метаболічні шляхи, які керуються комплексом білок-білок. , взаємодії білок-ДНК і білок-РНК, що зрештою забезпечує життєво важливі функції організму.

Деталі дослідження та фон

Вичерпне дослідження, опубліковане 19 серпня в Nature Communications , зібрало 12-річні дані Qatar Metabolomics Study of Diabetes (QMDiab), дослідження діабету випадок-контроль серед багатоетнічного населення Катару, переважно арабського, філіппінського та індійського походження.

«Наша ідея полягала в тому, щоб об’єднати все, що ми навчилися протягом більш ніж десяти років досліджень мультиоміки, щоб створити комплексну молекулярну модель людського тіла та процесів у ньому», — сказав старший автор доктор Карстен Сухре, професор фізіології та біофізики та член Англійського інституту точної медицини. «Цей довідковий інструмент є вільним для доступу та використання дослідниками, які хочуть дослідити, як працює людський організм на молекулярному рівні, а також для формування гіпотез для перевірки експериментами».

Збір та аналіз даних

Завдяки співпраці з Hamad Medical Corporation дослідники зібрали кілька аліквот крові, сечі та слини у добровольців, як з діабетом, так і без нього. Потім зразки були охарактеризовані на 18 різних високопродуктивних аналітичних платформах, які забезпечили надзвичайно багатий набір даних, включаючи 6300 окремих точок молекулярних даних, включаючи геномні дані (ДНК), транскриптом ( РНК ), білки та метаболіти, такі як амінокислоти , цукри та жири. Крім того, вони визначили інформацію про генетичні варіанти, сайти метилювання ДНК і експресію генів для кожного з учасників.

Це дозволило дослідникам виявити асоціації та шляхи, що зв’язують генетичні характеристики з певними білками, метаболічними процесами та захворюваннями. Потім вони старанно інтегрували масу даних від усіх індивідуумів у онлайновий веб-інструмент, який служив інтерфейсом до «Молекулярної людини», молекулярного опису людського тіла.

Мультиомічний підхід та його значення

Підхід поєднання геномних, транскриптомних, метаболомних, протеомних та інших форм так званих «-омічних» досліджень відомий як «мультіоміка». Цей підхід з’явився в останні роки як ключова стратегія для біомедичних дослідників, які прагнуть зрозуміти, як насправді функціонують людський організм і хвороби, надаючи інформацію, яка потенційно може сприяти розробці нових медикаментозних методів лікування.

Наприклад, дослідження виявило та описало білки та метаболіти, які є ознаками підтипів діабету 2 типу, проливаючи світло на різні способи прояву захворювання.

«Наш інтегративний омічний підхід забезпечує огляд взаємозв’язків між різними молекулярними ознаками та їх зв’язком із фенотипом людини — її спостережуваними рисами, такими як зовнішність, біохімічні процеси та поведінка», — сказала перший автор доктор Анна Халама, доцент кафедри дослідження в галузі фізіології та біофізики. «Масштаб даних, інтегрованих у веб-інструмент COmics, дає доступ до сотень тисяч шляхів і асоціацій для дослідників, що дає величезний потенціал для відкриття та дослідження.

Що лежить на дні океану? Для багатьох це темне і таємниче місце, повне істот, про яких ми мало що знаємо. Але іноді відкриття проливають світло на ці таємниці. Нове дослідження зробило саме це, зосередившись на незвичайному мешканцеві глибоководних глибин, який полюбляє їсти саргассум.

Bathyopsurus nybelini, ізопод, що живе на глибині майже 3,7 милі (6 100 метрів) під поверхнею океану, має унікальну дієту: він харчується водоростями Sargassum, які опускаються з поверхні океану. Дослідження, проведене під керівництвом Джоанни Вестон (Johanna Weston), еколога з хадал з Вудс-Хольського океанографічного інституту (WHOI), показує, наскільки поверхня наших океанів пов’язана з глибоководними морськими глибинами.

Саргас у глибинах океану

Влітку 2022 року група дослідників вирушила в пригоду з Елвіном, підводним апаратом, на якому перебувають люди, щоб дослідити жолоб Пуерто-Рико та Середньокайманський центр спредингу в Карибському морі. Завдяки нещодавнім модернізаціям Елвіна, зокрема кращим можливостям глибокого занурення та зйомки зображень у високій роздільній здатності, ця подорож стала реальністю.

Досліджуючи океанські глибини, команда побачила дещо несподіване: ізопод, що плавав догори дном і відривався від морського дна, стискаючи листок водорості саргассум завдовжки, як власне тіло. На цих глибинах — між 5 001 і 6 284 метрами — Елвін зняв 32 окремих ізоподи і зібрав два зразки для подальшого вивчення.

За словами Вестона, «було дуже цікаво спостерігати за цією прекрасною твариною, яка активно взаємодіє з саргассом глибоко в океані. Цю ізоподу дуже рідко можна побачити; лише кілька екземплярів було зібрано під час новаторської глибоководної шведської експедиції 1948 року».

Несподіване джерело їжі

Саргасові водорості — це тип бурих водоростей, які зазвичай плавають на поверхні океану, утворюючи щільні килимки, що простягаються на багато кілометрів. У зоні, освітленій сонцем, вона процвітає, фотосинтезуючи, як і будь-яка інша рослина. Однак, коли саргасум гине або відокремлюється від своїх плаваючих килимків, він починає повільну подорож вниз, у темну безодню.

Саме тут з’являється Bathyopsurus nybelini. Цей глибоководний ізопод, здається, терпляче чекає, пристосований до того, щоб знайти і поласувати цим затонулим джерелом поживних речовин.

«Цей ізопод ілюструє, що тварина в темному середовищі з високим тиском на дні морського дна розвинула численні адаптації, щоб харчуватися водоростями, які ростуть в освітленій сонцем екосистемі», — пояснює Маккензі Геррінгер, фізіолог глибоководного океану з Університету штату Сан-Франциско і один з провідних авторів дослідження. Це малоймовірна їжа, але вона забезпечує необхідне харчування.

Ізоподи та глибоководний саргас

Чому це відкриття має таке велике значення? По-перше, Bathyopsurus nybelini розробив унікальні адаптації для виживання в середовищі, де більшість істот намагалися б знайти їжу. Він використовує спеціальний спосіб плавання, пересуваючись догори дном і назад великими веслоподібними ногами, щоб піднімати з морського дна листя саргасуму. Це може бути розумною стратегією, щоб уникнути хижаків, піднімаючи їжу в товщу води.

Але на цьому пристосування не закінчуються. Цей ізопод має зубчастий ротовий апарат, який ідеально підходить для розривання та поглинання жорстких, волокнистих саргасових водоростей. У його кишечнику живуть бактерії, які допомагають розщеплювати складні полісахариди водоростей — молекули, які, як відомо, важко перетравлюються.

«Життя скрізь, навіть у найглибших морських глибинах, невблаганно пов’язане з мікроорганізмами, що його оточують», — каже Логан Піплз, еколог водних мікробів з Біологічної станції озера Флетхед.

Павутиння життя від поверхні до морського дна

Присутність саргасуму на таких великих глибинах має велике значення для того, як ми розуміємо екологію океану. Це дослідження підкреслює тісний зв’язок між поверхневим океаном і морськими глибинами.

Коли Саргасове море занурюється, воно відіграє певну роль у кругообігу та накопиченні вуглецю, що впливає на глобальні кліматичні зміни. Ми вже спостерігаємо значний екологічний та економічний вплив на прибережні громади через зміну кількості саргасуму в тропічній Атлантиці та Карибському морі.

Дослідники прагнуть з’ясувати, скільки саргасуму потрапляє на морське дно і як його кількість змінюється залежно від пори року та довгострокових змін у навколишньому середовищі. Розуміння цієї динаміки може допомогти нам передбачити, як глибоководні спільноти океану реагують на мінливі умови навколишнього середовища.

Чому це важливо?

Відкриття Bathyopsurus nybelini, що живиться саргассом, також підкреслює важливість передових технологій у глибоководних дослідженнях.

Підводний апарат «Елвін», який уможливив це спостереження, нещодавно отримав сертифікат на занурення на глибину 6 500 метрів. Це досягнення відкриває нові двері для морських досліджень і підкреслює важливість розробки нових інструментів і методів для дослідження найвіддаленіших регіонів океану.

Як зазначила Анна Мішель, головний науковий співробітник Національного центру глибоководних занурень, «Відкриття, описане в цій статті, стало можливим завдяки новим можливостям глибоководного занурення, що дуже захоплює команду Alvin».

Глибоководні екосистеми та вплив людини

Чому нас має хвилювати ізопод, що жує водорості на дні океану? Все залежить від того, наскільки взаємопов’язані екосистеми нашої планети. Оскільки людська діяльність змінює умови океану — від зміни клімату до забруднення — дуже важливо розуміти, як поверхневі процеси пов’язані з глибоководними екосистемами океану.

Кожне відкриття, подібне до відкриття Bathyopsurus nybelini, нагадує нам, що навіть найекстремальніші середовища на Землі є частиною великої, взаємопов’язаної павутини життя. Чим більше ми дізнаємося, тим краще ми можемо захистити ці екосистеми та керувати наслідками наших дій.

Вплив саргасуму на глибоководні райони океану

Це дослідження — лише початок. Вчені планують продовжити вивчення того, як саргас та інші поверхневі матеріали впливають на життя в морських глибинах. Потрібно більше досліджень, щоб зрозуміти сезонні та довгострокові зміни в чисельності саргасуму та його вплив на глибоководні харчові мережі.

У міру подальших досліджень нові відкриття, безсумнівно, змінять наше розуміння цих прихованих екосистем. За словами Вестона, «ми раді поділитися його дивовижною історією адаптації і цим важливим нагадуванням про те, що середовища існування і організми на нашій планеті глибоко і складно пов’язані між собою».

Океан величезний, і в ньому ще так багато цікавого. Тож, які ще таємниці ховаються в глибоких темних водах? Лише час, цікавість та подальші дослідження покажуть.