Войти
Общая схема, показывающая взаимоотношения генома, транскриптома, протеома и метаболома ( липидома ). Метабол относится к полному набору малых молекул химических веществ, обнаруженных в биологическом образце. Биологический образец может быть клеткой, клеточной органеллой, органом, тканью, тканевым экстрактом, биожидкостью или целым организмом. В небольших молекул химических веществ, обнаруженных в данном Метаболом может включать в себя как эндогенные метаболиты, которые естественным образом производимые в организме (такие как аминокислоты, органические кислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты, амины, сахара, витамины, кофакторы, пигменты, антибиотики, и т. д.), а также экзогенные химические вещества (такие как лекарства, загрязнители окружающей среды, пищевые добавки, токсины и другие ксенобиотики ), которые не производятся организмом естественным образом.
Другими словами, существует как эндогенный метаболом, так и экзогенный метаболом. Эндогенный метаболом может быть дополнительно подразделен на «первичный» и «вторичный» метаболомы (особенно когда речь идет о метаболомах растений или микробов). Первичный метаболит непосредственно участвуют в нормальном росте, развитии и размножении. Вторичный метаболит не принимает непосредственное участие в этих процессах, но, как правило, имеет важную экологическую функцию. Вторичные метаболиты могут включать пигменты, антибиотики или продукты жизнедеятельности, полученные из частично метаболизированных ксенобиотиков. Изучение метаболома называется метаболомикой.
Слово метаболом представляет собой смесь слов « метаболит » и « хромосома ». Он был создан, чтобы подразумевать, что метаболиты косвенно кодируются генами или действуют на гены и генные продукты. Термин «метаболом» впервые был использован в 1998 году и, вероятно, был придуман для соответствия существующим биологическим терминам, относящимся к полному набору генов ( геном ), полному набору белков ( протеом ) и полному набору транскриптов ( транскриптому). ). Первая книга по метаболомике была опубликована в 2003 году. Первый журнал, посвященный метаболомике (названный просто «Метаболомика»), был выпущен в 2005 году и в настоящее время редактируется профессором Роем Гудакром. Некоторые из наиболее важных ранних работ по анализу метаболома перечислены в приведенных ниже ссылках.
Метаболом отражает взаимодействие между геномом организма и окружающей его средой. В результате метаболом организма может служить отличным датчиком его фенотипа (т. Е. Продукта его генотипа и окружающей его среды). Метаболиты могут быть измерены (идентифицированы, количественно определены или классифицированы) с использованием ряда различных технологий, включая ЯМР-спектроскопию и масс-спектрометрию. Большинство методов масс-спектрометрии (МС) необходимо сочетать с различными формами жидкостной хроматографии (ЖХ), газовой хроматографии (ГХ) или капиллярным электрофорезом (КЭ) для облегчения разделения соединений. Каждый метод обычно позволяет идентифицировать или охарактеризовать 50-5000 различных метаболитов или «характеристик» метаболитов одновременно, в зависимости от используемого инструмента или протокола. В настоящее время невозможно проанализировать весь спектр метаболитов одним аналитическим методом.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - это метод аналитической химии, который измеряет поглощение радиочастотного излучения определенных ядер, когда молекулы, содержащие эти ядра, помещаются в сильные магнитные поля. Частота (т.е. химический сдвиг ), с которой данный атом или ядро поглощает, сильно зависит от химического окружения (связывания, химической структуры ближайших соседей, растворителя) этого атома в данной молекуле. Картины поглощения ЯМР дают «резонансные» пики на разных частотах или с разными химическими сдвигами - этот набор пиков называется спектром ЯМР. Поскольку каждое химическое соединение имеет различную химическую структуру, каждое соединение будет иметь уникальный (или почти уникальный) спектр ЯМР. В результате ЯМР особенно полезен для характеристики, идентификации и количественного определения небольших молекул, таких как метаболиты. Широкое использование ЯМР для «классических» исследований метаболизма, наряду с его исключительной способностью работать со сложными смесями метаболитов, вероятно, является причиной того, что ЯМР был одной из первых технологий, широко применяемых для рутинных измерений метаболома. Как аналитический метод, ЯМР является неразрушающим, непредвзятым, легко поддающимся количественной оценке, требует небольшого разделения или не требует его совсем, позволяет идентифицировать новые соединения и не требует химической дериватизации. ЯМР особенно подходит для обнаружения соединений, которые менее поддаются анализу ЖХ-МС, таких как сахара, амины или летучие жидкости, или анализ ГХ-МС, таких как большие молекулы (gt; 500 Да) или относительно инертные соединения. ЯМР - не очень чувствительный метод с нижним пределом обнаружения около 5 мкМ. Обычно с помощью метаболомных исследований на основе ЯМР можно идентифицировать от 50 до 150 соединений.
Масс-спектрометрия - это аналитический метод, который измеряет отношение массы к заряду молекул. Молекулы или молекулярные фрагменты обычно заряжаются или ионизируются путем распыления их через заряженное поле ( ионизация электрораспылением ), бомбардировки их электронами из горячей нити ( электронная ионизация ) или воздействия на них лазером, когда они помещаются на пластины со специальным покрытием (с помощью матрицы лазерная десорбционная ионизация). Затем заряженные молекулы перемещаются в пространстве с помощью электродов или магнитов, и их скорость, скорость кривизны или другие физические характеристики измеряются для определения их отношения массы к заряду. По этим данным можно определить массу исходной молекулы. Дальнейшая фрагментация молекулы посредством контролируемых столкновений с молекулами газа или электронами может помочь определить структуру молекул. Для определения элементных формул или элементного состава соединений можно также использовать очень точные измерения массы. Большинство форм масс-спектрометрии требуют разделения с использованием жидкостной или газовой хроматографии. Эта стадия разделения требуется для упрощения получаемых масс-спектров и для более точной идентификации соединений. Некоторые методы масс-спектрометрии также требуют, чтобы молекулы были дериватизированы или химически модифицированы, чтобы они были более пригодны для хроматографического разделения (это особенно верно для ГХ-МС ). В качестве аналитического метода МС - очень чувствительный метод, для которого требуется очень мало образца (lt;1 нг материала или lt;10 мкл биожидкости) и который может генерировать сигналы для тысяч метаболитов из одного образца. Инструменты МС также можно настроить для проведения анализов метаболома с очень высокой пропускной способностью (от сотен до тысяч образцов в день). Количественная оценка метаболитов и характеристика новых структур соединений сложнее с помощью МС, чем с помощью ЯМР. ЖХ-МС особенно подходит для обнаружения гидрофобных молекул ( липидов, жирных кислот ) и пептидов, тогда как ГХ-МС лучше всего подходит для обнаружения небольших молекул (lt;500 Да) и легколетучих соединений ( сложных эфиров, аминов, кетонов, алканов, тиолов ).
В отличие от генома или даже протеома, метаболом представляет собой очень динамичный объект, который может резко меняться в течение нескольких секунд или минут. В результате растет интерес к измерению метаболитов за несколько периодов времени или за короткие промежутки времени с использованием модифицированных версий метаболомики на основе ЯМР или МС.
Поскольку метаболом организма в значительной степени определяется его геномом, разные виды будут иметь разные метаболомы. Действительно, тот факт, что метаболом помидора отличается от метаболома яблока, является причиной того, почему эти два фрукта так разные на вкус. Кроме того, разные ткани, разные органы и биожидкости, связанные с этими органами и тканями, также могут иметь совершенно разные метаболомы. Тот факт, что разные организмы и разные ткани / биологические жидкости имеют такие разные метаболомы, привел к разработке ряда баз данных метаболомов, специфичных для организмов и биологических жидкостей. Некоторые из наиболее известных баз данных метаболома включают базу данных метаболома человека или HMDB, базу данных метаболома дрожжей или YMDB, базу данных метаболома E. coli или ECMDB, базу данных метаболома Arabidopsis или AraCyc, а также базу данных метаболома мочи, спинномозговую жидкость (CSF).) База данных метаболома и база данных метаболома сыворотки. Последние три базы данных относятся к биожидкости человека. Также существует ряд очень популярных баз данных общих метаболитов, включая KEGG, MetaboLights, Golm Metabolome Database, MetaCyc, LipidMaps и Metlin. Базы данных метаболомов можно отличить от баз данных метаболитов тем, что базы данных метаболитов содержат слегка аннотированные или синоптические данные метаболитов от нескольких организмов, в то время как базы данных метаболомов содержат подробные и часто упоминаемые химические, метаболические, спектральные данные и данные о концентрации метаболитов для конкретных организмов.
Database Human Метаболом представляет собой базу данных в свободном доступе, открытого доступа, содержащий подробные данные о более чем 40000 метаболитов, которые уже были идентифицированы или могут быть найдены в человеческом теле. HMDB содержит три вида информации: 1) химической информации, 2) клинической информации, и 3) биохимическую информацию. Химические данные включаютgt; 40 000 структур метаболитов с подробными описаниями, обширными химическими классификациями, информацией о синтезе и наблюдаемыми / рассчитанными химическими свойствами. Он также содержит около 10 000 экспериментально измеренных спектров ЯМР, ГХ-МС и ЖХ / МС более чем 1100 различных метаболитов. Клиническая информация включает данные оgt; 10 000 концентрациях метаболитов - биожидкостей, информацию о концентрациях метаболитов для более чем 600 различных заболеваний человека и данные о путях более 200 различных врожденных нарушений метаболизма. Биохимическая информация включает около 6000 последовательностей белков (и ДНК) и более 5000 биохимических реакций, связанных с этими записями метаболитов. HMDB поддерживает широкий спектр интернет - запросов, включая текстовый поиск, химические поиски структуры, последовательность поиск подобия и спектральные поиски подобия. Это делает его особенно полезным для метаболомических исследователей, которые пытаются идентифицировать или понимать метаболиты в клинических метаболомных исследованиях. Первая версия HMDB была выпущена 1 января 2007 года и была составлена учеными из Университета Альберты и Университета Калгари. На тот момент они сообщили данные о 2500 метаболитах, 1200 лекарствах и 3500 пищевых компонентах. С тех пор эти ученые значительно расширили коллекцию. Последняя версия HMDB (версия 3.5) содержитgt; 16 000 эндогенных метаболитов,gt; 1500 лекарств иgt; 22 000 пищевых компонентов или пищевых метаболитов.
Ученые из Университета Альберты систематически характеризовали конкретные метаболомы биожидкостей, включая метаболом сыворотки, метаболом мочи, метаболом спинномозговой жидкости (ЦСЖ) и метаболом слюны. Эти усилия включали как экспериментальный метаболомный анализ (включая ЯМР, ГХ-МС, ИСП-МС, ЖХ-МС и ВЭЖХ ), так и обширный анализ литературы. По их данным, метаболом сыворотки человека содержит не менее 4200 различных соединений (включая множество липидов), метаболом мочи человека содержит не менее 3000 различных соединений (включая сотни летучих веществ и метаболитов кишечных микробов), метаболом спинномозговой жидкости человека содержит около 500 различных соединений. соединений, в то время как метаболом слюны человека содержит около 400 различных метаболитов, включая многие бактериальные продукты.
Дрожжи Метаболом База данных является свободно доступным, онлайн базы данныхgt; 2000 малых молекул метаболиты найдены или производства Saccharomyces CEREVISIAE ( пекарские дрожжи ). YMDB содержит два вида информации: 1) химической информации и 2) биохимическую информацию. Химическая информация в YMDB включает 2027 структур метаболитов с подробными описаниями метаболитов, обширной химической классификацией, информацией о синтезе и наблюдаемыми / рассчитанными химическими свойствами. Он также содержит около 4000 спектров ЯМР, ГХ-МС и ЖХ / МС, полученных от более чем 500 различных метаболитов. Биохимическая информация в YMDB включаетgt; 1100 последовательностей белков (и ДНК) иgt; 900 биохимических реакций. YMDB поддерживает широкий спектр запросов, включая поиск текста, химические поиски структуры, последовательность поиск подобия и спектральные поиски подобия. Это делает его особенно полезным для исследователей метаболомики, которые изучают дрожжи как модельный организм или ищут способы оптимизации производства ферментированных напитков (вина, пива).
Вторичная ионизация электрораспылением - масс-спектрометрия высокого разрешения SESI-HRMS - это неинвазивный аналитический метод, который позволяет нам контролировать метаболическую активность дрожжей. SESI-HRMS обнаружил около 300 метаболитов в процессе дрожжевого брожения, это говорит о том, что большое количество метаболитов глюкозы не упоминается в литературе.
База данных E. Coli Метаболом является свободно доступным, база данных онлайнgt; 2700 низкомолекулярные метаболиты найдены в или получают путем кишечной палочки (штамм E.coli K12, 1655). ECMDB содержит два вида информации: 1) химической информации и 2) биохимическую информацию. Химическая информация включает более 2700 структур метаболитов с подробными описаниями метаболитов, обширной химической классификацией, информацией о синтезе и наблюдаемыми / рассчитанными химическими свойствами. Он также содержит около 5000 спектров ЯМР, ГХ-МС и ЖХ-МС более 600 различных метаболитов. Биохимическая информация включаетgt; 1600 последовательностей белков (и ДНК) иgt; 3100 биохимических реакций, связанных с этими записями метаболитов. ECMDB поддерживает множество различных типов онлайных - запросов, включая текстовый поиск, химические поиски структуры, последовательность поиск подобия и спектральные поиски подобия. Это делает его особенно полезным для метаболомических исследователей, изучающих кишечную палочку как модельный организм.
Вторичная ионизация электрораспылением (SESI-MS) позволяет различать одиннадцать штаммов E. Coli благодаря профилю летучих органических соединений.
