Metabolom - Metabolome
Metabolom dotyczy kompletnego zestawu małocząsteczkowych związków chemicznych występujących w próbce biologicznej. Próbka biologiczna może być komórką , organellą komórkową , narządem , tkanką , ekstraktem tkankowym, biopłynem lub całym organizmem . W małych cząsteczek chemicznych znajdujących się w danym mogą metabolomu obejmują zarówno endogennych metabolitów , które są w sposób naturalny wytwarzane przez organizm (na przykład aminokwasów , kwasów organicznych , kwasów nukleinowych , kwasów tłuszczowych , aminy , cukrów , witamin , kofaktorów , pigmenty , antybiotyki , itp.), a także egzogenne substancje chemiczne (takie jak leki, zanieczyszczenia środowiskowe , dodatki do żywności , toksyny i inne ksenobiotyki ), które nie są naturalnie wytwarzane przez organizm.
Innymi słowy, istnieje zarówno metabolom endogenny, jak i metabolom egzogenny. Metabolom endogenny można dalej podzielić na metabolom „pierwotny” i „wtórny” (szczególnie w odniesieniu do metabolomów roślinnych lub drobnoustrojów). Główny metabolit jest bezpośrednio zaangażowany w normalnym wzroście, rozwoju i rozmnażania. Wtórny metabolit nie jest bezpośrednio zaangażowany w te procesy, ale zwykle ma ważną funkcję ekologiczną. Metabolity wtórne mogą obejmować pigmenty , antybiotyki lub produkty odpadowe pochodzące z częściowo metabolizowanych ksenobiotyków . Badanie metabolomu nazywa się metabolomika .
Początki
Słowo metabolom wydaje się być połączeniem słów „ metabolit ” i „ chromosom ”. Został skonstruowany tak, aby sugerować, że metabolity są pośrednio kodowane przez geny lub działają na geny i produkty genów. Termin „metabolom” został po raz pierwszy użyty w 1998 roku i prawdopodobnie został ukuty w celu dopasowania do istniejących terminów biologicznych odnoszących się do pełnego zestawu genów ( genomu ), pełnego zestawu białek ( proteomu ) i pełnego zestawu transkryptów ( transkryptomu). ). Pierwsza książka o metabolomice została opublikowana w 2003 roku. Pierwsze czasopismo poświęcone metabolomice (zatytułowane po prostu „Metabolomika”) ukazało się w 2005 roku i jest obecnie redagowane przez prof. Roy Goodacre . Niektóre z bardziej znaczących wczesnych prac na temat analizy metabolomicznej wymieniono w poniższych odnośnikach.
Pomiar metabolomu
Metabolom odzwierciedla interakcję między genomem organizmu a jego środowiskiem. W rezultacie metabolom organizmu może służyć jako doskonała sonda jego fenotypu (tj. produktu jego genotypu i środowiska). Metabolity mogą być mierzone (identyfikowane, określane ilościowo lub klasyfikowane) przy użyciu wielu różnych technologii, w tym spektroskopii NMR i spektrometrii masowej . Większość metod spektrometrii mas (MS) musi być połączona z różnymi formami chromatografii cieczowej (LC), chromatografii gazowej (GC) lub elektroforezy kapilarnej (CE), aby ułatwić rozdział związków. Każda metoda jest zazwyczaj w stanie zidentyfikować lub scharakteryzować 50-5000 różnych metabolitów lub „cech” metabolitów na raz, w zależności od używanego urządzenia lub protokołu. Obecnie nie jest możliwe przeanalizowanie całej gamy metabolitów jedną metodą analityczną.
Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) to technika chemii analitycznej, która mierzy absorpcję promieniowania o częstotliwości radiowej określonych jąder, gdy cząsteczki zawierające te jądra są umieszczone w silnym polu magnetycznym . Częstotliwość (tj. przesunięcie chemiczne ), z jaką dany atom lub jądro absorbuje, jest silnie uzależniona od środowiska chemicznego (wiązanie, najbliżsi sąsiedzi budowy chemicznej, rozpuszczalnik) tego atomu w danej cząsteczce. Wzory absorpcji NMR wytwarzają piki „rezonansowe” przy różnych częstotliwościach lub różnych przesunięciach chemicznych – ten zbiór pików nazywa się widmem NMR . Ponieważ każdy związek chemiczny ma inną strukturę chemiczną, każdy związek będzie miał unikalne (lub prawie unikalne) widmo NMR . W rezultacie NMR jest szczególnie przydatny do charakteryzowania, identyfikacji i oznaczania ilościowego małych cząsteczek, takich jak metabolity. Powszechne stosowanie NMR do „klasycznych” badań metabolicznych, wraz z jego wyjątkową zdolnością do radzenia sobie ze złożonymi mieszaninami metabolitów, jest prawdopodobnie powodem, dla którego NMR był jedną z pierwszych technologii szeroko zaadoptowanych do rutynowych pomiarów metabolomicznych. Jako technika analityczna, NMR jest nieniszcząca, bezstronna, łatwa do określenia ilościowego, wymaga niewielkiej separacji lub nie wymaga żadnej separacji, pozwala na identyfikację nowych związków i nie wymaga derywatyzacji chemicznej. NMR jest szczególnie podatny na wykrywanie związków, które są mniej podatne na analizę LC-MS , takich jak cukry, aminy lub lotne ciecze lub analiza GC-MS , takich jak duże cząsteczki (>500 Da) lub związki stosunkowo niereaktywne. NMR nie jest bardzo czułą techniką z dolną granicą wykrywalności około 5 μM. Typowo 50-150 związków można zidentyfikować za pomocą badań metabolomicznych opartych na NMR.
Spektrometria mas to technika analityczna, która mierzy stosunek masy do ładunku cząsteczek. Cząsteczki lub fragmenty cząsteczek są zazwyczaj naładowane lub jonizowane poprzez rozpylanie ich w naładowanym polu ( jonizacja elektrorozpylania ), bombardowanie elektronami z gorącego włókna ( jonizacja elektronowa ) lub wysadzanie laserem, gdy są umieszczone na specjalnie pokrytych płytkach (wspomagana matrycą). jonizacja laserowa desorpcji). Naładowane cząsteczki są następnie przemieszczane w przestrzeni za pomocą elektrod lub magnesów, a ich prędkość, krzywizna lub inne właściwości fizyczne są mierzone w celu określenia ich stosunku masy do ładunku . Na podstawie tych danych można określić masę cząsteczki rodzicielskiej. Dalsza fragmentacja cząsteczki poprzez kontrolowane zderzenia z cząsteczkami gazu lub elektronami może pomóc w określeniu struktury cząsteczek. Bardzo dokładne pomiary masy można również wykorzystać do określenia wzorów pierwiastkowych lub składu pierwiastkowego związków. Większość form spektrometrii mas wymaga pewnej formy rozdziału przy użyciu chromatografii cieczowej lub gazowej . Ten etap rozdzielania jest wymagany, aby uprościć otrzymane widma masowe i umożliwić dokładniejszą identyfikację związku. Niektóre metody spektrometrii mas wymagają również derywatyzacji lub modyfikacji chemicznej cząsteczek, aby były bardziej podatne na rozdział chromatograficzny (dotyczy to zwłaszcza GC-MS ). Jako technika analityczna MS jest bardzo czułą metodą, która wymaga bardzo małej próbki (<1 ng materiału lub <10 μl biopłynu) i może generować sygnały dla tysięcy metabolitów z pojedynczej próbki. Instrumenty MS można również skonfigurować do bardzo wysokowydajnych analiz metabolomicznych (od setek do tysięcy próbek dziennie). Ilościowa ocena metabolitów i charakterystyka nowych struktur związków jest trudniejsza w MS niż w NMR. LC-MS jest szczególnie podatny na wykrywanie cząsteczek hydrofobowych ( lipidy , kwasy tłuszczowe ) i peptydów, podczas gdy GC-MS jest najlepszy do wykrywania małych cząsteczek (<500 Da) i wysoce lotnych związków ( estry , aminy , ketony , alkany , tiole ).
W przeciwieństwie do genomu, a nawet proteomu , metabolom jest bardzo dynamiczną jednostką, która może się radykalnie zmieniać w ciągu zaledwie sekund lub minut. W rezultacie rośnie zainteresowanie pomiarami metabolitów w wielu okresach czasu lub w krótkich odstępach czasu przy użyciu zmodyfikowanych wersji NMR lub metabolomiki opartej na MS.
Bazy danych metabolomów
Ponieważ metabolom organizmu jest w dużej mierze zdefiniowany przez jego genom , różne gatunki będą miały różne metabolomy. Rzeczywiście, fakt, że metabolom pomidora jest inny niż metabolom jabłka, jest powodem, dla którego te dwa owoce smakują tak odmiennie. Ponadto różne tkanki, różne narządy i biopłyny związane z tymi narządami i tkankami mogą również mieć wyraźnie różne metabolomy. Fakt, że różne organizmy i różne tkanki / biopłyny mają tak różne metabolomy, doprowadził do rozwoju wielu baz danych dotyczących metabolomów specyficznych dla organizmu i biopłynów. Niektóre z lepiej znanych baz danych metabolomów obejmują Human Metabolome Database lub HMDB, Yeast Metabolome Database lub YMDB , E. coli Metabolome Database lub ECMDB , Arabidopsis metabolome Database lub AraCyc, a także Urine Metabolome Database, mózgowo - rdzeniowy płyn (CSF). ) Baza danych metabolomów i baza danych metabolomów surowicy . Ostatnie trzy bazy danych są specyficzne dla ludzkich biopłynów. Istnieje również wiele bardzo popularnych ogólnych baz danych metabolitów, w tym KEGG , MetaboLights, Golm Metabolome Database , MetaCyc , LipidMaps i Metlin. Bazy danych metabolomów można odróżnić od baz danych metabolitów, ponieważ bazy danych metabolitów zawierają słabo opisane lub synoptyczne dane dotyczące metabolitów z wielu organizmów, podczas gdy bazy danych metabolomów zawierają bardzo szczegółowe i silnie powiązane dane chemiczne, szlaki, dane spektralne i stężenia metabolitów dla określonych organizmów.
Baza danych metabolizmu ludzkiego
Human metabolomu Baza danych jest bazą danych swobodnie dostępne, open-access zawierające szczegółowe dane na temat ponad 40.000 metabolitów, które już zostały zidentyfikowane lub mogą być znalezione w organizmie człowieka. HMDB zawiera trzy rodzaje informacji: 1) INFORMACJE chemiczny 2) informacje kliniczne i 3) informacje biochemicznych. Dane chemiczne obejmują ponad 40 000 struktur metabolitów ze szczegółowymi opisami, obszernymi klasyfikacjami chemicznymi, informacjami o syntezie oraz zaobserwowanymi/obliczonymi właściwościami chemicznymi. Zawiera również prawie 10 000 zmierzonych eksperymentalnie widm NMR , GC-MS i LC/MS z ponad 1100 różnych metabolitów. Informacje kliniczne obejmują dane dotyczące >10 000 stężeń metabolitów - biopłynów , informacje o stężeniu metabolitów dotyczące ponad 600 różnych chorób człowieka oraz dane dotyczące szlaków ponad 200 różnych wrodzonych wad metabolizmu. Informacje biochemiczne obejmują prawie 6000 sekwencji białek (i DNA) i ponad 5000 reakcji biochemicznych, które są powiązane z tymi wpisami metabolitów. HMDB obsługuje szeroką gamę zapytań internetowych, w tym wyszukiwania tekstu, wyszukiwania strukturze chemicznej, kolejność wyszukiwania podobieństwa i spektralnych wyszukiwań podobieństw. Dzięki temu jest szczególnie przydatny dla badaczy metabolomicznych, którzy próbują zidentyfikować lub zrozumieć metabolity w klinicznych badaniach metabolomicznych. Pierwsza wersja HMDB została wydana 1 stycznia 2007 roku i została skompilowana przez naukowców z University of Alberta i University of Calgary . W tym czasie przedstawili dane dotyczące 2500 metabolitów , 1200 leków i 3500 składników żywności. Od tego czasu ci naukowcy znacznie powiększyli kolekcję. Najnowsza wersja HMDB (wersja 3.5) zawiera >16 000 endogennych metabolitów, >1500 leków i >22 000 składników żywności lub metabolitów żywności.
Metabolomy biopłynów człowieka
Naukowcy z University of Alberta systematycznie charakteryzują specyficzne metabolomy biopłynów, w tym metabolom surowicy, metabolom moczu, metabolom płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF) i metabolom śliny. Wysiłki te obejmowały zarówno eksperymentalną analizę metabolomiczną (obejmującą testy NMR , GC-MS , ICP-MS , LC-MS i HPLC ), jak i obszerną eksplorację literatury. Według ich danych, metabolom ludzkiej surowicy zawiera co najmniej 4200 różnych związków (w tym wiele lipidów), ludzki metabolom moczu zawiera co najmniej 3000 różnych związków (w tym setki substancji lotnych i metabolitów drobnoustrojów jelitowych), ludzki metabolom płynu mózgowo-rdzeniowego zawiera prawie 500 różnych związków, podczas gdy ludzki metabolom śliny zawiera około 400 różnych metabolitów, w tym wiele produktów bakteryjnych.
Baza danych metabolomów drożdży
Drożdże metabolomu Baza jest swobodnie dostępny, internetowy baza> 2000 metabolity małe cząsteczki znajdują się w lub wytworzone przez Saccharomyces cerevisiae ( drożdże piekarnicze ). YMDB zawiera dwa rodzaje informacji: 1) informacje chemiczne i 2) INFORMACJE biochemicznych. Informacje chemiczne w YMDB obejmują 2027 struktur metabolitów ze szczegółowymi opisami metabolitów, obszernymi klasyfikacjami chemicznymi, informacjami o syntezie i obserwowanymi/obliczonymi właściwościami chemicznymi. Zawiera również prawie 4000 widm NMR , GC-MS i LC/MS uzyskanych z ponad 500 różnych metabolitów. Informacje biochemiczne w YMDB obejmują >1100 sekwencji białek (i DNA) i >900 reakcji biochemicznych. YMDB obsługuje szeroką gamę zapytaniami tym wyszukiwanie tekstu, wyszukiwanie strukturę chemiczną, kolejność wyszukiwania podobieństwa i widmowe wyszukiwania podobieństwa. Jest to szczególnie przydatne dla badaczy metabolomicznych, którzy badają drożdże jako organizm modelowy lub szukają optymalizacji produkcji napojów fermentowanych (wino, piwo).
Wtórna jonizacja elektrorozpylania - spektrometria mas wysokiej rozdzielczości SESI-HRMS to nieinwazyjna technika analityczna, która pozwala monitorować aktywność metaboliczną drożdży. SESI-HRMS wykrył około 300 metabolitów w procesie fermentacji drożdży, co sugeruje, że duża liczba metabolitów glukozy nie jest opisywana w literaturze.
Metabolomiczna baza danych Escherichia coli
E. Coli metabolomu Baza jest swobodnie dostępny, internetowy baza> 2700 metabolity małe cząsteczki znajdują się w lub wytwarzane przez Escherichia coli (E. coli K12 MG1655). ECMDB zawiera dwa rodzaje informacji: 1) informacje chemiczne i 2) INFORMACJE biochemicznych. Informacje chemiczne obejmują ponad 2700 struktur metabolitów ze szczegółowymi opisami metabolitów, obszernymi klasyfikacjami chemicznymi, informacjami o syntezie i obserwowanymi/obliczonymi właściwościami chemicznymi. Zawiera również prawie 5000 widm NMR , GC-MS i LC-MS z ponad 600 różnych metabolitów. Informacje biochemiczne obejmują >1600 sekwencji białek (i DNA) i >3100 reakcji biochemicznych, które są powiązane z tymi wpisami metabolitów. ECMDB obsługuje wiele różnych rodzajów zapytań internetowych, w tym wyszukiwania tekstu, wyszukiwania strukturze chemicznej, kolejność wyszukiwania podobieństwa i spektralnych wyszukiwań podobieństw. Dzięki temu jest szczególnie przydatny dla badaczy metabolomicznych, którzy badają E. coli jako organizm modelowy.
Wtórna jonizacja przez elektrorozpylanie (SESI-MS) może rozróżniać jedenaście szczepów E. coli dzięki profilowaniu lotnych związków organicznych.