Zrównoważony świat według chemii Ewa BULSKA
Świat według chemii : to odczytywanie ukrytych w materii informacji,.... Pomiary, pomiary, pomiary :., czyli badania obecności różnych składników.
Świat według chemii : to praca w laboratorium...
Zrównoważony świat według chemii : to dobrze zaplanowane badania naukowe Ważnym elementem życiorysu Marii Skłodowskiej-Curie, jest Jej udział w kursach naukowych w pracowniach Muzeum Przemysłu i Rolnictwa w Warszawie, gdzie opanowała podstawy analizy chemicznej i zetknęła się z pracą naukowo - badawczą." Wnętrze Pracowni Chemicznej MPiR, ryc. z 1877 r. 5
SŁOWA NOBLISTKI Maria Skłodowska- Curie: Gdyby mnie w Warszawie dobrze nie nauczyli analizy chemicznej profesor Napoleon MILICER i Jego asystent dr KOSSAKOWSKI, nigdy nie wydzieliłabym radu [1] E. Curie, Maria Curie, PWN, Warszawa, 1997 6
SŁOWA NOBLISTKI Maria Skłodowska- Curie: Gdyby mnie w Warszawie dobrze nie nauczyli analizy chemicznej profesor Napoleon MILICER i Jego asystent dr KOSSAKOWSKI, nigdy nie wydzieliłabym radu [1] E. Curie, Maria Curie, PWN, Warszawa, 1997 7
Spektrometria mas wysoka czułość niskie granice wykrywalności różnorodność zastosowań: Związki wysokocząsteczkowe (białka, kwasy tłuszczowe, lipidy Związki niskocząsteczkowe (farmaceutyki, metabolity, etc.) Atomy pierwiastków (Fe, Pb, Se,.etc.) Izotopy pierwiastków (Pb206, Pb207, Pb206) Cartoon by Nick D Kim, lab-initio.com. Used by permission.
Badanie układów biologicznych: Rośliny Alium Cepa L. Plantago lanceolata L. Se Zn
UNIVERSITY Rośliny: OF WARSAW biotransformacja BIOLOGICAL AND CHEMICAL / translokacja RESEARCH CENTRE Alium Cepa L. Plantago lanceolata L.
Badanie układów biologicznych : Rośliny Alium Cepa L. BADANIA Biologiczne Se Zn Biomasa Aktywność mitotyczna Testy wzrostu Plantago lanceolata L. Chemiczne Skład pierwiastkowy Profil izotopowy Specjacja chemiczna Obrazowanie
Rośliny : metabolizm Se w Alium Cepa L. Kontrola Na 2 SeO 3 NaHSeO 3 Na 2 SeO 4 NaNH 4 SeO 4 Allium cepa L. 96 h, 10 mg Se/L
Długości przyrostów korzeni [cm] 7 Porównanie przyrostów korzeni cebuli jadalnej (Allium cepa L.), poddanej działaniu wybranych soli selenu 6 kontrola 5 4 3 2 Se (IV) Na2SeO3 Se (IV) NaHSeO3 Se (VI) Na2SeO4 1 0 0 24 48 72 96 Czas trwania eksperymentu [h] Se (VI) NaNH4SeO 4 Kontrola Na 2 SeO 3 NaHSeO 3 Na 2 SeO 4 NaNH 4 SeO 4 Se (IV) Se (VI) Allium cepa L. 96 godzin hodowli, 10 mg Se/L
Rośliny : metabolizm Se w Alium Cepa L. e
GŁÓWNE FORMY SELENU WYSTĘPUJĄCE W ORGANIZMACH: seleniny seleniany jon trimetyloseleniowy dimetyloselen dimetylodiselen dimetaloselenki selenocysteina selenocystyna selenometionina Se-metyloselenocysteina -glutamylo-se-metyloselenocysteina selenocystationina selenohomocysteina selenocystamina Se-adenozyloselenohomocysteina 2- SeO 3 2- SeO 4 -(CH 3 ) 3 Se + (CH 3 ) 2 Se (CH 3 ) 2 Se 2 Me 2 Se H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -SeH H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -Se-Se-CH 2 -CH(COO - + )-NH 3 H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -CH 2 -Se-Me H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -Se-Me H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH(COO - )-CH 2 -Se-Me H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -Se-CH 2 -CH(COO - + )-NH 3 H 3 N + -CH(COO - )-CH 2 -CH 2 -SeH NH 2 -CH(COO - )-CH 2 -Se-Se-CH 2 -CH 2 -NH 2 NH 2 -CH(COOH)-CH 2 - CH 2 -Se-C 4 H 5 O 3 C 5 N 4 -NH 2
Rośliny : metabolizm Se w Alium Cepa L. Dlaczego cebula? Układy biologiczne słabo rozróżniają S od Se S rośliny bogate w siarkę mają potencjał do przyswajania Se Wykazano, że cebula ma zdolność do przeswajania znacznych ilości selenu i metabilozowania związków nieorganicznych do pochodnych organicznych 17
Rośliny : przygotowanie do badań Alium Cepa L. 10000 7500 5000 2500 Ekstrakt korzenia Se78 Se82 0 0 1 2 4 5 6 7 9 1011121315161718202122
Se : całkowita zawartość ICP MS selenium (mg/kg d.m.)
Transmisyjna Mikroskopia Elektronowa (TEM) V V N SP m M Pr m We wszystkich badanych kombinacjach: Pr AV n PrV m N ER Pr żywe, zdolne do metabolizowania komórki CW m selenu M m ER m Pr V ER V Pr M M Brak biotransformacji nie jest spowodowany tym, że komórki M G CW G G są martwe (kontrola biologiczna) CW
Rośliny: wzrost korzeni Alium Cepa L. Test Allium Podziały mitotyczne Komórek merystematycznych
indeks mitotyczny (%) Aktywność mitotyczna Test komórek Allium wierzchołków korzeni Allium cepa L. po podaniu Se (IV) i Se (VI) 25 20 15 10 5 Przechowywanie ekstraktów 0 Kontrola Se (IV) Se (VI) 0 12 24 48 72 96 Czas trwania eksperymentu [h] K Se (IV) Se (VI) Selen na czwartym stopniu utlenienia znacznie silniej hamował aktywność mitotyczną komórek wierzchołków merystematycznych korzeni
Rośliny : metabolizm Se w Alium Cepa L. HPLC ICP MS Pożywka zawierająca Se(IV) Pożywka zawierająca Se(VI) Biotransformacja Se(IV) w komórkach korzenia
1400 1200 1000 800 600 400 200 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Se-metylo-Se-cysteina Se (VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se-metylo-Se-cysteina HYDROPONIKA Se (IV) Se (VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se IV 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1000 800 600 400 200 0 Se-metylo-Se-cysteina Se (VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se-metylo-Se-cysteina Se (VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se-metylo-Se-cysteina GLEBA Se (VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Se-metylo-Se-cysteina HYDROPONIKA Se(VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se VI 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Se-met-secysteina GLEBA Se(VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 500 400 300 200 100 0 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Se-metylo-Se-cysteina Se(VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se(VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Se-met-secysteina 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Se-met-secysteina 2000 0 0 2 4 6 Se(VI) Se(VI) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
HPLC ICP MS : ekstrakty roślinne mieszanina wzorców LC-ICP MS
Identyfikacja Se-Met w ekstrakcie z czosnku / LC-ESI-(Orbitrap)-MS/MS HPLC-ESI-(Orbitrap)-MS/MS selenometionina 02_06_2015_mieszanina_wzorcow #5261 RT: 6.49 AV: 1 NL: 4.14E6 T: FTMS + c ESI d Full ms2 198.00@hcd35.00 [50.00-209.00] 108.9553 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 69.0342 102.0552 74.0240 94.9396 85.0286 113.0711 131.9744 121.9505 134.9709 138.0662 151.9975 167.9560 176.9793 180.9764 193.0978 60 80 100 120 140 160 180 200 m/z
Hodowla hydroponiczna
Transport Se w Alium Cepa L. UNIVERSITY OF WARSAW BIOLOGICAL AND CHEMICAL RESEARCH CENTRE Intensity, cps LA ICP MS 160000 120000 80000 40000 onion leaves after enrichment in Se(VI) Intensity, cps 300000 250000 200000 150000 100000 onion roots after enrichment in Se(VI) Se(IV) 50000 Intensity, cps 0 40000 30000 20000 10000 0 20 40 60 80 100 120 Z Time, s onion leaves after enrichment in Se(IV) Y Intensity, cps 0 0 20 40 60 80 100 120 Time, s 225000 180000 part of onion root 135000 90000 45000 Se(VI) onion roots after enrichment in Se(IV) 0 0 20 40 60 80 100 120 Time, s 0 0 20 40 60 80 100 120 Time, s Z Y part of onion leaf part of onion root
root cap protoderm e d root tip cortex b procambiaal c a epidermis cortex mature root Z Z vascular cylinder Y Y 30
ROZMIESZCZENIE Se(VI) W CEBULI
Rośliny : rozmieszczenie Se w Alium Cepa L. 3 2 1 CH 3 -Se-cys Se-met (SeO 2-3 )aq Se VI 5 4 3 2 1 CH 3 -Se-cys Se-met (SeO 3 2- )aq Se IV 4 3 2 1 CH 3 -Se-cys Se-met (SeO 2-3 )aq (SeO 4 2- )aq (SeO 4 2- )aq (SeO 4 2- )aq leaf enriched in SeVI root enriched in SeVI root enriched in SeIV
PODSUMOWANIE Selen (IV) wchodzi w komórki roślin Se IV Zahamowanie podziałów komórkowych Biotransformacja Se (IV) w komórkach roślin Zahamowanie wzrostu korzeni roślin
Babka lancetowata i cynk Populacja hałdowa Bolesław Populacja referencyjna Zn Porównanie tolerancji N H Z czego wynika różnica w tolerancji między populacjami? a) zawartość całkowita cynku b) specjacja cynku c) rozmieszczenie cynku w tkankach i komórkach roślin 75 mg/l Zn
Plantago lanceolata L. Zn [mg/l] 35
Badanie specjacji w ekstraktach Rozdzielanie chromatograficzne: (SEC i IEC)
IEC SEC
polarność Masa cząsteczkowa
Mapowanie LA ICP MS metoda ablacji laserowej z jonizacją w_plazmie indukcyjnie sprzężonej bezpośrednia analiza wielopierwiastkowa (izotopowa) próbek stałych Komora ablacyjna jakościowo-ilościowa analiza materiału biologicznego (wzorzec wewnętrzny np. 13 C + materiały referencyjne) analiza punktowa lub mapowanie
LA ICP MS mapowanie Zn [ 66 Zn] Control (25 mg/l Zn 2+ ) Zn-enriched medium (75 mg/l Zn 2+ ) ppm 40 D.M.
Rozmieszczenie Zn w Plantago Lanceolata Zn deposits Metoda histochemiczna ditizonowa
TEM i mikroanaliza rentgenowska A B Z n Z n Zdjęcia TEM niekontrastowanych preparatów ultracienkich wykonanych z liści roślin P._lanceolata uprawianych na podłożu wzbogaconym w cynk. [A] wytrącenia zwierające cynk przylegające do ściany naczynia ksylemu. [B] wytrącenia zawierające cynk na terenie wakuoli parenchymy (miękiszu) drewna.
Rozmieszczenie Zn w Plantago Lanceolata λ ex. = 404 nm celuloza λ ex. = 488 nm Zn-Zinpyr-1 λ ex. = 641 nm chlorofil Mikroskopia konfokalna
Pomiary wielowymiarowe Komplementarne informacje Poznanie mechanizmu translokacji / bio-trasformacji