Материнское молоко, видимо, лучшая пища для детёнышей млекопитающих, в том числе — человеческих младенцев. Известно, что оно способствует борьбе с болезнями и укреплению иммунитета. Но даже после десятилетий исследований мало что известно о том, как именно работает грудное молоко. Чтобы помочь решить этот вопрос, химики из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology), Гейтерсберг, США, создают библиотеку, каталогизирующую важные составляющие этой телесной жидкости.
«Мы хотим узнать как можно больше о молоке, потому что пока при всей его важности, нам слишком мало известно о его химии», — говорит Конни Ремороза (Connie Remoroza), химик, руководитель исследовательского проекта.
Ремороза совместно с другими специалистами Центра данных масс-спектрометрии (Mass Spectrometry Data Center) проводит анализ и каталогизацию углеводов молока — олигосахаридов. Молекула олигосахарида обычно включает от двух до десяти простых сахаров (моносахаридов), таких, например, как глюкоза и галактоза, соединённых между собой химическими связями.
Олигосахариды присутствуют не только в молоке, но и во многих растениях, таких как бобовые, лук, пшеница и спаржа. Подавляющее большинство из них не перевариваются и не всасываются организмом при еде, а попадают в толстую кишку. Какую роль они там играют, до сих пор почти неизвестно, хотя многие называют их пребиотиками, поскольку предполагается, что они способствуют росту бактерий, что, в свою очередь, создаёт здоровую функциональную кишечную флору. Некоторые исследования также показали, что олигосахариды могут способствовать поглощению кальция, магния и других минералов в кишечнике человека.
Ремороза и её коллеги собирают библиотеку, которая будет служить справочником для тех, кто захочет продолжить работу по этой теме, чтобы найти окончательные ответы на вопросы, связанные с усвоением молока и ролью олигосахаридов в организме.
Летом 2018 года Ремороза и её коллеги задокументировали 74 уникальных олигосахарида в стандартном эталонном материале (SRM) 1953. Этот материал был получен совместно с Центрами по контролю и профилактике заболеваний (Centers for Disease Control and Prevention, CDC) и включает пробы молока, взятые у 100 кормящих матерей в 2006 году и хранящиеся в замороженном виде в шести молочных банках США. Химики используют его для определения эффективности методов обнаружения таких загрязняющих окружающую среду веществ как полихлорированный бифенил и пестициды. Двенадцать из задокументированных Реморозой олигосахаридов прежде не были обнаружены в человеческом молоке.
Открытия были сделаны с использованием масс-спектрометрии. С её помощью химики составляют график «масс-спектра» — зависимости интенсивности ионного тока от отношения массы вещества к заряду. Такие графики, подобно уникальным отпечаткам пальцев, позволяют точно определить молекулярный состав исследуемого образца.
В последнее десятилетие жидкостная хроматография и масс-спектрометрия всё чаще используются для анализа углеводов, включая олигосахариды, с целью выявления их уникальных меток. Анализ углеводов более сложный, чем анализ структуры многих других веществ, поэтому о них известно мало. Создание библиотеки восполнит большой пробел в данных.
Как только эта информация будет опубликована, любой сможет её использовать в исследовательских целях.
Недавно команда Национального института стандартов и технологий обратила внимание на молоко других — помимо человека — видов млекопитающих. Во-первых, Ремороза составила каталог олигосахаридов домашних животных: коров и коз. В созданной ею электронной таблице она подробно описала, какие типы молока уже были исследованы химиками с помощью масс-спектрометрии. Ей также стало интересно, что можно найти в молоке утконосов и обезьян. Один из ведущих мировых исследовательских зоопарков находился всего в нескольких километрах, в штате Коннектикут. Конни Ремороза задалась вопросом, есть ли у них молоко, которым они могут поделиться.
По электронной почте ей подтвердили, что учёные Смитсоновского национального зоопарка (National Zoological Park) и Смитсоновского института биологии охраны природы (Smithsonian Conservation Biology Institute) действительно имеют необычную коллекцию молока экзотических млекопитающих. Они были также заинтересованы выяснить олигосахаридный состав молока. Хотя зоопарк имеет доступ к большому количеству животных молочных продуктов и в настоящее время хранит более 15000 образцов, ему не хватает технических возможностей и оборудования, необходимого для изучения их молекулярного состава. В декабре 2018 была создана партнёрская программа.
«Млекопитающие — единственная большая группа животных, самки которой производят вещество из собственного организма для кормления потомства, — говорит Майк Пауэр (Mike Power), один из учёных зоопарка, работавший с Реморозой. — Все, от броненосца до слона и человека».
Хотя все они производят молоко, у разных видов оно имеет разный состав. Например, у слонов и носорогов очень разные молочные продукты, хотя они обитают в одной среде и ведут сходный образ жизни.
Молоко наших ближайших родственников, обезьян, похоже на наше, но человеческое молоко содержит примерно в два раза больше жира. Также в молоке людей, согласно последним исследованиям, олигосахариды представлены, как правило, богаче и разнообразнее, чем у большинства других животных, в т. ч. других обезьян. Около 20 % сахаров в человеческом молоке содержится в олигосахаридах. Это резко отличается от, например, молока горилл, в котором эта доля приближается к 5 %.
Пауэр считает, что эти детали могут помочь нам понять эволюцию. «Люди говорят, что молоко — универсальная пища. Я бы сказал, чтобы это лучшая эволюционировавшая пища, но она не идеальна, — говорит он. — Узнав больше об олигосахаридах, мы больше узнаём о человеческом молоке и о том, насколько оно важно, или неважно. Похоже, у него в основном иммунная функция. Это обладает смыслом, если подумать о том, как человек изменил окружающую среду».
В отличие от обезьян, люди начали выращивать сельскохозяйственные культуры и домашних животных. В конце концов, люди начали использовать для удобрения сельскохозяйственных культур навоз, который, в свою очередь, может передавать такие опасные заболевания как свиной грипп. Воздействие на среду обитания, вероятно, потребовало больших изменений в иммунной системе человека, включая состав молока.
Чем больше информации Ремороза может предоставить о молоке, тем больше вероятность того, что исследователи создадут лучшие заменители. Это может помочь диетологам, пищевым технологам и педиатрам в разработке детских смесей, а также ветеринарам и биологам в зоопарках, которым часто приходится выкармливать детёнышей, матери которых по какой-то причине не могут кормить их своим молоком. Например, когда самка гиппопотама Фиона в зоопарке Цинциннати родила маленького бегемотика, сотрудникам пришлось создавать как можно более близкий аналог её молока.
Ремороза надеется получить доступ к замороженным ресурсам зоопарка для изучения молока широкого круга животных: окапи, слонов, горилл. Пока она начала с львов, поскольку поняла, что молоко этих плотоядных животных очень мало исследовано, а также потому, что в зоопарке много молока африканских львов и зоопарк без труда может поделиться им с составителями библиотеки.
Библиотека олигосахаридов доступна бесплатно на веб-странице института и будет обновляться по мере поступления новых данных.