重水有助于追踪生物体内脂肪和 DNA 的新陈代谢

生物物理学家基于使用重水分子，开发了一种可视化动物组织细胞新陈代谢的新方法。有了它，您可以监测蛋白质、脂肪和 DNA 的合成和代谢。科学家在 《自然通讯》杂志上写道，这种方法可用于研究各种动物生物体发育过程中聚合物的生物合成，维持其重要活动或癌性肿瘤的发展过程。

通常，为了追踪发生了什么，细胞内各种物质在其生命过程中发生了什么反应，科学家们使用磁共振方法、正电子断层扫描、荧光显微镜或显微放射自显影。然而，这些方法要么没有足够的空间分辨率，要么涉及使用细胞毒性同位素或荧光标记，这不仅对单个细胞和组织的生命造成危险，而且还会直接导致所研究过程发生变化。

以哥伦比亚大学魏敏为首的生物物理学家提出，利用重水作为造影剂，研究各种动物活细胞的代谢过程。将重水引入组织会导致在细胞中合成的那些化合物（特别是蛋白质、脂肪和核酸）中的部分碳氢键被碳氘键取代，其浓度可以通过使用光谱法改变化学键的振动频率来监测。作为这项研究的一部分，科学家们提议使用受激拉曼散射技术进行分析。这个方法已经用过了以可视化癌细胞中的 DNA 分子和蛋白质，但在此之前，只能以这种方式研究物质在相对较短的时间内并且仅在某些类型的细胞中的分布。

通过使用重水，研究人员能够更准确地研究代谢过程，无论组织类型如何。氘从重水转变为单个氨基酸或脂肪酸，然后转变为蛋白质、脂肪或核酸分子的顺序，使得获得有关某些物质的合成速率及其在空间中运动的信息成为可能。

科学家们注意到，要将重水引入小型动物（例如老鼠）的体内，使用富含氘的水作为饮用水就足够了。每天消耗 60-70 毫升重水导致大约 2-5% 的身体水分被氘取代，这足以提高该方法的灵敏度，同时不会以任何方式影响动物健康（据研究，即使动物体内有五分之一的水分，用重水分代替，也不会引起任何症状）。

该工作的作者指出，使用所提出的方法，可以同时独立地监测不同类型化合物的代谢。这种选择性的出现是因为对于每种物质，键的振动都发生在它们自己的波长上，而碳氢键振动的数据也可以用作辅助数据。

科学家们已经证明了所提出的技术对小鼠各种器官（特别是肠、肝、大脑皮层、胰腺和肌肉）细胞的有效性。作为一个说明性的例子，该作品的作者展示了蛋白质和脂肪是如何合成的，以及蛋白质和 DNA 分子在细胞分裂过程中是如何重新分布的。

该作品的作者使用相同的方法可视化发生在其他动物细胞中的代谢过程，特别是线虫秀丽隐杆线虫和斑马鱼 ( Danio rerio )。与此同时，科学家们指出，所提出的显微方法不仅可以用于静力学，还可以用于研究移动动物中相当快的过程。

此外，使用重水的受激拉曼散射也可用于研究较长时间段内的代谢过程——特别是，作者能够追踪成年线虫体内蛋白质和脂肪的浓度是如何重新分布的在生殖细胞发育过程中持续 8 天。特别是，科学家们能够观察到在卵母细胞中逐渐积累的化合物的活性合成，并评估减慢脂肪生成速度的变化。

据该研究的作者称，他们在未来开发的方法可能有望更详细地研究生物体不同发育阶段的代谢过程——特别是，以前使用的大多数方法都不允许分离来自蛋白质和脂肪的信号，这极大地限制了它们的能力。此外，这种方法可能有用，例如，对于癌性肿瘤的研究。

近年来，科学家们不断改进研究活细胞动力学及其内部化学反应的显微方法。这不仅适用于基于超高分辨率光学显微镜的方法，它允许跟踪蛋白质的运动并 以高达每秒 200 帧的速度获取视频，而且还适用于不太传统的方法，例如原子力显微镜。