Какие процессы происходят в эмбрионе на молекулярном уровне после заморозки? Может ли замедление метаболизма говорить о рисках для будущего организма? Ответы на эти вопросы помогает найти уникальное исследование, в котором принимает участие магистрант Физического факультета Новосибирского государственного университета Анастасия Омельченко. Коллектив ученых из лаборатории Спектроскопии конденсированных сред Института автоматики и электрометрии СО РАН (где работает Анастасия) и сектора криоконсервации и репродуктивных технологий Института цитологии и генетики СО РАН, впервые в мире применил метод комбинационного рассеяния света дейтерированных меток для изучения метаболизма эмбрионов.

— Комбинационное рассеяние света – это бесконтактный и неразрушающий метод оптической спектроскопии, который позволяет понять химический состав, структуру вещества и его фазовое состояние. Мы используем его, чтобы заглянуть внутрь живых клеток и увидеть, какие молекулы образуются в результате их метаболизма, — объяснила Анастасия Омельченко.

Ученые изучают обмен веществ у мышиных эмбрионов на ранних стадиях развития. Для этого они кормили эмбрионы специально промаркированными (дейтерированными) молекулами — например, аминокислотами, глюкозой, стеариновой кислотой – и с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света отслеживали, как эти вещества преобразуются внутри клеток.

— Когда мы хотим отследить, как в процессе обмена веществ из одного соединения образуется другое, мы должны отделить эти соединения от других органических молекул, которые есть в клетках. Это достаточно сложная задача и похожа на поиск одного человека в толпе. Чтобы ее упростить, можно дать этому человеку «флаг», то есть промаркировать его – это позволит определить его на фоне остальной толпы. В спектроскопии комбинационного рассеяния света удобно пользоваться дейтерированными метками, то есть молекулами, в которых некоторые атомы водорода заменены на более тяжелый дейтерий. Вследствие изотопического сдвига такие метки обладают отличным от других молекул спектром, что позволяет отследить количество и природу дейтерированных молекул в образце, — пояснила исследовательница.

Оказалось, что аминокислоты стабильно превращаются в белки на всех стадиях развития, а с ростом эмбриона синтез усиливается. Глюкоза, вопреки ожиданиям, не столько расщепляется для получения энергии, сколько запасается в виде полимера гликогена. Жирные кислоты, такие как стеариновая, накапливаются в липидных гранулах (энергетических хранилищах клетки).

Но особенно интересным оказалось воздействие на метаболизм криоконсервации — технологии, используемой для заморозки и хранения эмбрионов при сверхнизких температурах. После замораживания и размораживания учёные проанализировали, как изменяется обмен веществ в эмбрионах, и обнаружили, что в более поздних стадиях развития жирные кислоты перерабатываются хуже — клетка словно «решает» накапливать их, а не использовать.

— Методика позволяет увидеть, какие процессы нарушаются в результате криоконсервации, — отметила Анастасия Омельченко. — Это особенно важно в условиях, когда всё больше биоматериала — и в медицине, и в сельском хозяйстве — замораживают для хранения или транспортировки. Наш подход может помочь понять, как сохранить жизнеспособность таких клеток.

Кроме криоконсервации, в ходе исследования посмотрели, как влияет на метаболизм эмбрионов другое уникальное состояние — диапауза. Это естественная остановка развития эмбриона в ответ на неблагоприятные условия, встречающаяся у целого ряда млекопитающих (около 130 видов). Учёные работали с эмбрионами мышей с индуцированной диапаузой и выяснили, что у них синтез белка снижается примерно на 23% по сравнению с обычными.

— Это согласуется с другими данными: у эмбрионов, которые переходят в стадию имплантации, усиливается активность ключевых метаболических процессов. А наша методика позволяет измерить это количественно, быстро и без вреда для самого объекта, — подчёркивает исследовательница.

Исследование ещё только входит в стадию системного применения, но уже сейчас ясно: оптические не инвазивные методы анализа метаболизма вполне могут стать эффективным диагностическим инструментом в репродуктивной медицине и биотехнологиях.