Это открытие может рассказать исследователям, почему поведение, которое меняется в зависимости от состояния внутренней энергии, например потребление пищи, обучение и память, а также сон, меняется на диете с высоким содержанием питательных веществ.
Когда наш организм метаболизирует пищу, эта пища расщепляется на метаболиты – небольшие молекулы, которые выполняют множество функций в организме, включая обеспечение топливом клеток и активацию или ингибирование производства ферментов. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, изучается, как метаболиты в мозге и телах плодовых мух изменяются при переходе мух от голода к насыщению.
В ходе исследования исследователи обнаружили, что метаболические профили мух быстро меняются во время быстрого перехода от голода к насыщению, причем мозг мух показывает более сильные изменения, чем их тела.
В частности, диета с высоким содержанием сахара снизила уровни метаболитов в головном мозге N-ацетил аспартата, или NAA, и кинуренина.
Изменение метаболитов может повлиять на то, как быстро муха чувствует сытость, заставляя ее есть больше. Фактически, исследователи U-M ранее обнаружили, что увеличение количества определенного метаболита при диете с высоким содержанием сахара вызывает переедание и увеличение веса.
Хотя ученым неясна роль NAA в мозге, похоже, что она обеспечивает топливо для клеток мозга и уравновешивает осмолярность – или регулирует объем клеток – в головном мозге.
Более низкий уровень другого метаболита, кинуренина, который вырабатывается в больших количествах во время упражнений, связан с депрессией.
«Мы обнаружили метаболическое ремоделирование», – сказала старший автор Моника Дус, доцент кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития. "Это было не просто постепенное накопление от раннего к более продолжительному воздействию, но к седьмому дню на диете с высоким содержанием сахара у этих плодовых мух был совершенно другой метаболический профиль."
Раковые клетки также подвергаются этому типу метаболического ремоделирования, чтобы подпитывать их рост, поэтому диета может играть роль в лечении рака и причина, по которой лаборатория Дуса хотела изучить изменение метаболитов в головном мозге.
Чтобы изучить, как диета с высоким содержанием сахара влияет на мозг и тело плодовых мушек, исследовательская группа сравнила группу голодных мух с группой накормленных мух.
Исследователи пропустили кормление мух, а на следующий день накормили их завтраком, состоящим из умеренно сладкого желе с глюкозой.
Исследователи смешивают сахарное желе с синим или зеленым красителем и через час проверяют брюшко мухи, чтобы убедиться, что оно съедено. Чтобы убедиться, что животные насытились, исследователи поместили мух на ликометр, покрытый глюкозным желе. Ликометр – это именно то, на что он похож: измеритель, который подсчитывает, сколько раз его лизнули.
Затем в отдельных пробирках исследователи замораживают насытых мух, а также группу голодных мух. Это останавливает метаболический процесс, так что исследователи могут посмотреть, что происходит в мозгу мух в момент насыщения. Исследователи встряхивают трубки, и муха разрывается.
Сито разделяет голову, грудную клетку, брюшко и ноги мухи. Затем эти части были отправлены в компанию, которая использует масс-спектрометрию для измерения метаболитов в мухе.
Чтобы помочь уточнить список метаболитов у мух, Алла Карновски, доцент кафедры вычислительной медицины и биоинформатики в Michigan Medicine, создала инструмент под названием FlyScape. Она основала его на предыдущем инструменте, который она создала для анализа данных метаболомики человека, под названием MetScape.
Как и Metscape, Flyscape имеет открытый доступ: любой исследователь, изучающий метаболиты плодовых мух, может использовать программу.
Эти инструменты помогают исследователям искать закономерности в данных метаболомики. Такой исследователь, как Дэниел Вилински, научный сотрудник лаборатории Дуса и первый автор рукописи, может ввести в Flyscape список метаболитов, обнаруженных у ее субъектов-плодовых мух, а также список генов от плодовых мух.
Инструмент будет производить визуализацию метаболических сетей дрозофил.
«Вы можете просматривать метаболиты и гены, которые меняются в разных условиях», – сказал Карновский. "Это помогает нам понять, какие биологические процессы происходят."
Соавтор Питер Фреддолино, доцент кафедры биологической химии, вычислительной медицины и биоинформатики в Michigan Medicine, работал с Дасом над предыдущими статьями, чтобы изучить, как диета с высоким содержанием сахара притупляет вкусовые ощущения у плодовых мушек.
«Мы изучили, какие изменения в метаболитах могут фундаментально нарушить способ работы этих клеток», – сказал Фреддолино. "Это исследование говорит нам о том, какие метаболические пути могут быть задействованы."
В конечном итоге исследование показало, что потребление сахара влияет на 20 метаболитов, помимо NAA и кинуренина.
Затем, говорит Дас, исследовательская группа планирует выяснить, как изменения в этих метаболитах влияют на мозг, изменяя потребление пищи и влияя на другие условия, такие как сон, обучение и память.