Экзометаболомика - Exometabolomics

Модельный экзометаболомический эксперимент, поставленный на жидкой культуре, для ЖХ – МС (A), и из чашек с агаром, для MSI (В).

Экзометаболомика, также известный как «метаболический след»,[1][2] это исследование внеклеточных метаболитов и является подразделом метаболомика.[3]

Хотя те же аналитические подходы, которые используются для профилирования метаболитов, применимы и к экзометаболомике, включая жидкостная хроматография, масс-спектрометрия (ЖХ-МС), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и газовая хроматография – масс-спектрометрия (ГХ – МС), анализ экзометаболитов ставит определенные задачи и, как правило, сосредоточен на изучении трансформаций пулов экзогенных метаболитов биологическими системами.[3] Обычно эти эксперименты проводят, сравнивая метаболиты в двух или более временных точках, например, израсходованные и неинокулированные / контрольные культуральные среды; этот подход может дифференцировать различные физиологические состояния дрожжей дикого типа и между мутантами дрожжей.[1] Поскольку во многих случаях экзометаболит (внеклеточный ) пул менее динамичен, чем эндометаболит (внутриклеточный ) пулы (которые часто нарушаются во время обработки образца) и химически определенные среды может быть использован, это уменьшает некоторые экспериментальные проблемы метаболомики.[4]

Экзометаболомика также используется как дополнительный инструмент с геномный, транскриптомный[5] и протеомный данные, чтобы получить представление о функциях генов и путей. Кроме того, экзометаболомика может использоваться для измерения полярных молекул, потребляемых или высвобождаемых организмом, а также для измерения вторичный метаболит производство.[6][7]

История

В научной литературе широко распространено изучение внеклеточных метаболитов.[8][9][10] Однако глобальное профилирование экзометаболита было реализовано только благодаря недавним достижениям, позволяющим улучшить хроматографический разделение и обнаружение сотен и тысяч соединений к середине 2000-х годов.[7] Первая работа, продемонстрировавшая биологическую значимость сравнительного профилирования пулов экзометаболитов, была проведена только в 2003 году, когда Джесс Аллен и его коллеги придумали термин «метаболитный след».[1][7] Эта работа вызвала большой интерес в сообществе, особенно из-за характеристики микробный метаболизм.[2] Идея «экзометаболома», охватывающего компоненты пула экзометаболитов, появилась только в 2005 году.[11]

Последние достижения в масс-спектрометрическая визуализация позволили пространственную локализацию высвобожденных метаболитов.[12] По мере того, как область микробиологии становится все более сосредоточенной на микробное сообщество По своей структуре экзометаболомика позволила быстро понять метаболические взаимодействия между двумя или более видами.[13] В последнее время экзометаболомика используется для разработки систем совместного культивирования.[14] Поскольку анализ внеклеточных метаболитов позволяет прогнозировать и определять обмен метаболитов, экзометаболомический анализ может быть использован для понимания сообщества экологические сети.[15]

Аналитические технологии

В принципе, любые технологии, используемые для метаболомики, могут быть использованы для экзометаболомики. Тем не мение, жидкостная хроматография – масс-спектрометрия (ЖХ – МС) был наиболее широко использован.[3] Как и при типичных метаболомных измерениях, метаболиты идентифицируются на основе точной массы, времени удерживания и их паттернов фрагментации МС / МС по сравнению с аутентичными стандартами. Обычно используются хроматографии: жидкостная хроматография гидрофильных взаимодействий для измерения полярных метаболитов,[16] или обращенно-фазовая (C18) хроматография для измерения неполярных соединений, липидов и вторичных метаболитов.[17] Газовая хроматография – масс-спектрометрия также может использоваться для измерения сахаров и других углеводов и получения полных метаболических профилей.[18]

Поскольку ЖХ – МС не дает пространственных данных о локализации метаболитов, его можно дополнить масс-спектрометрическая визуализация (MSI).[3]

Приложения

Экзометаболомические методы используются в следующих областях:

Функциональная геномика

Использование метаболитов для аннотирования функции неизвестных генов.[19]

Биоэнергетика

В исследованиях лигноцеллюлозного сырья.[20]

Сельское хозяйство и пищевая промышленность

Характеристика экзометаболитов корней растений для определения того, как экзометаболиты влияют Ризобактерии, способствующие росту растений.[21]

Метаболический след штаммов дрожжей для идентификации штаммов дрожжей, оптимальных для повышения эффективности ферментации и улучшения положительных свойств вина.[22]

Здоровье

Дифференциация здоровых и злокачественных клеток мочевого пузыря с помощью метаболических следов.[23]

Footprinting в сочетании с другими методами для раннего распознавания вспышки и характеристики штамма.[24]

Изучение старения с C. elegans экзометаболомика.[25]

Анализ внеклеточных метаболитов для оценки патогенного механизма внутриклеточных простейших паразитов.[26]

Анализ круговорота углерода

Глобальная фиксация углерода, взаимодействия фитопланктона / динофлаггелата и экзометаболомика.[27]

Микробные сообщества

Взаимодействие Кишечная палочка экзометаболиты с C. elegans влияет на продолжительность жизни.[28]

Бактерии и дрожжи в молочных системах.[13]

Биоремедиация

Разделение метаболической ниши

В 2010 г. был проведен экзометаболомический анализ цианобактерий, Synechococcus sp. PCC 7002 от Baran, и другие. показали, что этот фотоавтотроф может истощать разнообразный пул экзогенных метаболитов.[29] Последующее исследование экзометаболомики симпатрических микробных изолятов из биологической почвенной корки, которые существуют в сообществах с цианобактериями в пустынных почвах плато Колорадо, показало, что в этих сообществах существует разделение ниш метаболитов, где каждый изолят использует только 13-26% метаболиты из почвы [30]

Вторичные метаболиты

Метаболический след для определения механизма действия противогрибковых веществ[31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Аллен, Джесс (2003). «Высокопроизводительная классификация дрожжевых мутантов для функциональной геномики с использованием метаболического следа». Природа Биотехнологии. 21 (6): 692–696. Дои:10.1038 / nbt823. PMID  12740584. S2CID  15800623.
  2. ^ а б Мапелли, Валерия; Олссон, Лизбет; Нильсен, Йенс (01.09.2008). «Метаболический след в микробиологии: методы и приложения в функциональной геномике и биотехнологии». Тенденции в биотехнологии. 26 (9): 490–497. Дои:10.1016 / j.tibtech.2008.05.008. ISSN  0167-7799. PMID  18675480.
  3. ^ а б c d Сильва, Лесли; Нортен, Трент (2015). «Экзометаболомика и MSI: анализ того, как клетки взаимодействуют, чтобы трансформировать среду их малых молекул». Текущее мнение в области биотехнологии. 34: 209–216. Дои:10.1016 / j.copbio.2015.03.015. PMID  25855407.
  4. ^ Куперлович-Кульф, Мирослава (2014). «Метаболомика в культуре клеток животных». В Аль-Рубаи, М. (ред.). Культура клеток животных. Издательство Springer International. п. 628. ISBN  978-3-319-10320-4.
  5. ^ Россоу, Дебра; Нэс, Тормод; Бауэр, Флориан Ф. (1 января 2008 г.). «Связывание регуляции генов и экзо-метаболома: подход с использованием сравнительной транскриптомики для идентификации генов, которые влияют на производство летучих ароматических соединений в дрожжах». BMC Genomics. 9: 530. Дои:10.1186/1471-2164-9-530. ISSN  1471-2164. ЧВК  2585593. PMID  18990252.
  6. ^ Чумнанпуен, Прамоте (2014). «Динамический метаболический след выявляет ключевые компоненты метаболической сети дрожжей Saccharomyces cerevisiae». Международный журнал геномики. 2014: 894296. Дои:10.1155/2014/894296. ЧВК  3926413. PMID  24616891.
  7. ^ а б c Келл, Дуглас Б.; Браун, Мари; Дэйви, Хейзел М .; Dunn, Warwick B .; Спасич, Ирена; Оливер, Стивен Г. (01.07.2005). «Метаболический след и системная биология: среда - это сообщение». Обзоры природы Микробиология. 3 (7): 557–565. Дои:10.1038 / nrmicro1177. ISSN  1740-1526. PMID  15953932. S2CID  18217591.
  8. ^ Вавилова, Н. А .; Устинова, М. В .; Воинова, Т. М .; Степаниченко, Н. Н .; Ten, L. N .; Мухамеджанов, С. З .; Джавахия, В. Г. (1988-07-01). «Поликетидные экзометаболиты возбудителя рисового взрыва и их роль в патогенезе». Химия природных соединений. 24 (4): 487–491. Дои:10.1007 / BF00598539. ISSN  0009-3130. S2CID  13766961.
  9. ^ Тамбиев, А. Х .; Шелястина, Н. Н .; Кирикова, Н. Н. (1989-01-01). «Экзометаболиты липидной природы двух видов морских микроводорослей». Функциональная экология. 3 (2): 245–247. Дои:10.2307/2389307. JSTOR  2389307.
  10. ^ Баденоч-Джонс, Джейн; Summons, R.E .; Джорджевич, М. А .; Shine, J .; Letham, D. S .; Рольфе, Б.Г. (1 августа 1982 г.). «Масс-спектрометрическое количественное определение индол-3-уксусной кислоты в супернатантах культур ризобий: связь с завиванием корней волос и возникновением узелков». Прикладная и экологическая микробиология. 44 (2): 275–280. Дои:10.1128 / AEM.44.2.275-280.1982. ISSN  0099-2240. ЧВК  242007. PMID  16346073.
  11. ^ Нильсен, Йенс; Оливер, Стивен (1 ноября 2005 г.). «Следующая волна в анализе метаболома». Тенденции в биотехнологии. 23 (11): 544–546. Дои:10.1016 / j.tibtech.2005.08.005. ISSN  0167-7799. PMID  16154652.
  12. ^ Луи, Кэтрин Б.; Боуэн, Бенджамин П .; Ченг, Сяолян; Берлеман, Джеймс Э .; Чакраборти, Роми; Дойчбауэр, Адам; Аркин, Адам; Нортен, Трент Р. (19 ноября 2013 г.). ""Реплика-Экстракция-Перенос «Наноструктура-Инициатор Масс-спектрометрия изображений акустически отпечатанных бактерий». Аналитическая химия. 85 (22): 10856–10862. Дои:10.1021 / ac402240q. ISSN  0003-2700. PMID  24111681.
  13. ^ а б Оноре, Андерс Х .; Торсен, Майкл; Сков, Томас (18.08.2013). «Жидкостная хроматография – масс-спектрометрия для определения метаболических следов совместных культур молочнокислых и пропионокислых бактерий». Аналитическая и биоаналитическая химия. 405 (25): 8151–8170. Дои:10.1007 / s00216-013-7269-3. ISSN  1618-2642. PMID  23954995. S2CID  21031529.
  14. ^ Kosina, Suzanne M .; Danielewicz, Megan A .; Мохаммед, Муджахид; Рэй, Джаяшри; Сух, Юми; Йилмаз, Сюзан; Сингх, Ануп К .; Аркин, Адам П .; Дойчбауэр, Адам М. (17 февраля 2016 г.). «Дизайн и проверка синтетического обязательного мутуализма с помощью экзометаболомики». Синтетическая биология ACS. 5 (7): 569–576. Дои:10.1021 / acssynbio.5b00236. PMID  26885935.
  15. ^ Файст, Адам М .; Херргард, Маркус Дж. (2008). «Реконструкция биохимических сетей в микроорганизмах». Обзоры природы Микробиология. 7 (2): 129–143. Дои:10.1038 / nrmicro1949. ЧВК  3119670. PMID  19116616.
  16. ^ McNamara, L.E .; Sjostrom, T .; Мик, Р. М. Д .; Oreffo, R.O.C .; Вс, Б .; Далби, М. Дж.; Берджесс, К. Э. В. (2012). «Метаболомика: ценный инструмент для мониторинга стволовых клеток в регенеративной медицине». Журнал интерфейса Королевского общества. 9 (73): 1713–1724. Дои:10.1098 / rsif.2012.0169. ЧВК  3385772. PMID  22628210.
  17. ^ Гао, Пэн; Сюй, Гуован (2014). «Метаболомика микробов на основе масс-спектрометрии: последние разработки и приложения». Анальный Биоанал Химия. 407 (3): 669–680. Дои:10.1007 / s00216-014-8127-7. PMID  25216964. S2CID  30421756.
  18. ^ Sue, T .; Оболонкин, В .; Griffiths, H .; Виллас-Боаш, С. Г. (2011). «Экзометаболомический подход к мониторингу микробного загрязнения в процессах ферментации микроводорослей с помощью анализа метаболического следа». Прикладная и экологическая микробиология. 77 (21): 7605–7610. Дои:10.1128 / aem.00469-11. ЧВК  3209156. PMID  21890679.
  19. ^ Баран, Ричард; Боуэн, Бенджамин П .; Price, Morgan N .; Аркин, Адам П .; Deutschbauer, Adam M .; Нортен, Трент Р. (18 января 2013 г.). «Метаболический след библиотек мутантов для отображения использования метаболитов в генотип». ACS Химическая биология. 8 (1): 189–199. Дои:10.1021 / cb300477w. ISSN  1554-8929. PMID  23082955.
  20. ^ Чжа, Инь; Пунт, Питер Дж. (11 февраля 2013 г.). «Экзометаболомические подходы в изучении применения лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для ферментации». Метаболиты. 3 (1): 119–143. Дои:10.3390 / metabo3010119. ЧВК  3901257. PMID  24957893.
  21. ^ Кравченко, Л. В .; Азарова, Т. С .; Леонова-Ерко, Э. И .; Шапошников, А. И .; Макарова, Н. М .; Тихонович, И.А. (01.01.2003). «Корневые экссудаты растений томатов и их влияние на рост и противогрибковую активность штаммов Pseudomonas». Микробиология. 72 (1): 37–41. Дои:10.1023 / А: 1022269821379. ISSN  0026-2617. S2CID  6321050.
  22. ^ Richter, Chandra L .; Данн, Барбара; Шерлок, Гэвин; Пью, Том (01.06.2013). «Сравнительный метаболический след большого количества коммерческих штаммов винных дрожжей при ферментации Шардоне». FEMS дрожжевые исследования. 13 (4): 394–410. Дои:10.1111/1567-1364.12046. ISSN  1567-1364. PMID  23528123.
  23. ^ Пасиканти, Кишор Кумар; Норасмара, Хувита; Цай, Широнг; Махендран, Ратха; Эсуваранатхан, Кешаван; Ho, Paul C .; Чан, Эрик Чун Ён (05.08.2010). «Метаболический след опухолевых и неопухолевых уроэпителиальных клеток с использованием времяпролетной масс-спектрометрии с помощью двумерной газовой хроматографии». Аналитическая и биоаналитическая химия. 398 (3): 1285–1293. Дои:10.1007 / s00216-010-4055-3. ISSN  1618-2642. PMID  20686754. S2CID  10422166.
  24. ^ К, Кельвин К. В .; Fung, Ami M. Y .; Teng, Jade L. L .; Curreem, Shirly O.T .; Ли, Ким-Чунг; Юэн, квок-юнг; Лам, Чинг-Ван; Lau, Susanna K. P .; Ву, Патрик С. Ю. (07.11.2012). «Псевдо-вспышка Tsukamurella, охарактеризованная фенотипическими тестами, секвенированием 16S рРНК, гель-электрофорезом в импульсном поле и метаболическим следом». Журнал клинической микробиологии. 51 (1): JCM.02845–12. Дои:10.1128 / JCM.02845-12. ISSN  0095-1137. ЧВК  3536211. PMID  23135942.
  25. ^ Mishur, RobertJ .; Butler, JeffreyA .; Rea, ShaneL. (01.01.2013). Толлефсбол, Трюгве О. (ред.). Экзометаболомическое картирование Caenorhabditis elegans: инструмент неинвазивного исследования старения. Методы молекулярной биологии. 1048. Humana Press. С. 195–213. Дои:10.1007/978-1-62703-556-9_15. ISBN  9781627035552. PMID  23929107.
  26. ^ Эльшейха, Хани М; Алькураши, Мамдоух; Конг, Кенни; Чжу, Син-Цюань (2014-06-28). «Метаболический след внеклеточных метаболитов эндотелия головного мозга, инфицированного Neospora caninum in vitro». BMC Research Notes. 7 (1): 406. Дои:10.1186/1756-0500-7-406. ЧВК  4105892. PMID  24973017.
  27. ^ Poulson-Ellestad, Kelsey L .; Харви, Элизабет Л .; Джонсон, Мэтью Д .; Минсер, Трейси Дж. (01.01.2016). «Доказательства штаммоспецифической экзометаболомической реакции кокколитофора Emiliania huxleyi на выпас динофлагеллятами Oxyrrhis marina». Границы морских наук. 3: 1. Дои:10.3389 / fmars.2016.00001.
  28. ^ 1989-, Коррейя, Гонсалу душ Сантуш. «Объединение метаболических следов и анализа баланса потоков для прогнозирования того, как нокауты одного гена нарушают микробный метаболизм». repositorio.ul.pt. Получено 2016-04-23.CS1 maint: числовые имена: список авторов (связь)
  29. ^ Баран, Ричард; Боуэн, Бенджамин П .; Нортен, Трент Р. (12 января 2011 г.). «Ненаправленный метаболический след показывает удивительную широту поглощения и высвобождения метаболитов Synechococcus sp. PCC 7002». Молекулярные биосистемы. 7 (12): 3200–3206. Дои:10.1039 / C1MB05196B. PMID  21935552.
  30. ^ Баран, Ричард; Brodie, Eoin L .; Мэйберри-Льюис, Жазмин; Хаммел, Эрик; Да Роча, Улисс Нуньес; Чакраборти, Роми; Боуэн, Бенджамин П .; Караоз, Улас; Кадилло-Кироз, Хинсби (22 сентября 2015 г.). «Разделение ниши экзометаболита среди симпатрических почвенных бактерий». Nature Communications. 6: 8289. Bibcode:2015НатКо ... 6,8289B. Дои:10.1038 / ncomms9289. ЧВК  4595634. PMID  26392107.
  31. ^ Аллен, Джесс; Дэйви, Хейзел М .; Бродхерст, Дэвид; Роуленд, Джем Дж .; Оливер, Стивен Дж .; Келл, Дуглас Б. (2004-10-01). «Дискриминация способов действия противогрибковых веществ с помощью метаболического следа». Прикладная и экологическая микробиология. 70 (10): 6157–6165. Дои:10.1128 / AEM.70.10.6157-6165.2004. ISSN  0099-2240. ЧВК  522091. PMID  15466562.