Модель экзометаболомного эксперимента, проведенного с использованием жидкой культуры для ЖХ-МС (A) и с использованием агаровых пластин для МСИ (B).
Экзометаболомика , также известная как «метаболический футпринтинг» [1] [2], — это изучение внеклеточных метаболитов и подраздел метаболомики . [3]
В то время как те же аналитические подходы, которые используются для профилирования метаболитов, применяются к экзометаболомике, включая жидкостную хроматографию, масс-спектрометрию (ЖХ-МС), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и газовую хроматографию-масс-спектрометрию (ГХ-МС), анализ экзометаболитов представляет определенные проблемы и чаще всего сосредоточен на исследовании преобразований экзогенных метаболитных пулов биологическими системами. [3] Обычно эти эксперименты проводятся путем сравнения метаболитов в двух или более временных точках, например, отработанных и неинокулированных/контрольных культуральных средах; этот подход может дифференцировать различные физиологические состояния дрожжей дикого типа и между мутантами дрожжей. [1] Поскольку во многих случаях пул экзометаболитов ( внеклеточный ) менее динамичен, чем пулы эндометаболитов ( внутриклеточный ) (которые часто нарушаются во время обработки образцов), и можно использовать химически определенные среды , это снижает некоторые экспериментальные проблемы метаболомики. [4]
Экзометаболомика также используется как дополнительный инструмент с геномными , транскриптомными [5] и протеомными данными, чтобы получить представление о функции генов и путей. Кроме того, экзометаболомика может использоваться для измерения полярных молекул, потребляемых или выделяемых организмом, и для измерения продукции вторичных метаболитов . [6] [7]
История
Изучение внеклеточных метаболитов было распространено в научной литературе. [8] [9] [10] Однако глобальное профилирование экзометаболитов было реализовано только с недавними достижениями, позволившими улучшить хроматографическое разделение и обнаружение сотен и тысяч соединений к середине 2000-х годов. [7] Первая работа, демонстрирующая биологическую значимость сравнительного профилирования пулов экзометаболитов, появилась только в 2003 году, когда Джесс Аллен и его коллеги ввели термин «метаболитный след». [1] [7] Эта работа привлекла большой интерес в сообществе, особенно в плане характеристики микробного метаболизма . [2] Идея «экзометаболома», охватывающего компоненты пула экзометаболитов, была представлена только в 2005 году. [11]
Недавние достижения в области масс-спектрометрии позволили определить пространственную локализацию высвобождаемых метаболитов. [12] Поскольку область микробиологии все больше сосредотачивается на структуре микробного сообщества , экзометаболомика обеспечивает быстрое понимание метаболических взаимодействий между двумя или более видами. [13] В последнее время экзометаболомика используется для проектирования систем совместного культивирования. [14] Поскольку анализ внеклеточных метаболитов позволяет прогнозировать и определять обмен метаболитами , анализ экзометаболомики может использоваться для понимания экологических сетей сообщества . [15]
Аналитические технологии
В принципе, любые технологии, используемые для метаболомики, могут быть использованы для экзометаболомики. Однако наиболее широко используется жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ-МС). [3] Как и в случае с типичными метаболомными измерениями, метаболиты идентифицируются на основе точной массы, времени удерживания и их паттернов фрагментации МС/МС в сравнении с аутентичными стандартами. Обычно используемыми хроматографиями являются жидкостная хроматография с гидрофильным взаимодействием 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, а также для получения полных метаболических профилей. [18]
Поскольку ЖХ–МС не дает пространственных данных о локализации метаболитов, ее можно дополнить масс-спектрометрией (MSI). [3]
Приложения
Экзометаболомные методы использовались в следующих областях:
Функциональная геномика
Использование метаболитов для аннотирования функции неизвестных генов. [19]
Метаболический отпечаток штаммов дрожжей для идентификации штаммов дрожжей, оптимальных для улучшения производительности брожения и положительных свойств вина. [22]
Здоровье
Дифференциация здоровых и раковых клеток мочевого пузыря с помощью метаболического отпечатка. [23]
Футпринтинг в сочетании с другими методами для раннего распознавания вспышек и характеристики штаммов. [24]
Изучение старения с помощью экзометаболомики C. elegans . [25]
Анализ внеклеточных метаболитов для оценки патогенного механизма внутриклеточных простейших паразитов. [26]
Анализ круговорота углерода
Глобальная фиксация углерода, взаимодействие фитопланктона/динофлаггелатов и экзометаболомика. [27]
Микробные сообщества
Взаимодействие экзометаболитов E. coli с C. elegans влияет на продолжительность жизни. [28]
Бактерии и дрожжи в молочных системах. [13]
Биоремедиация
Разделение метаболической ниши
В 2010 году экзометаболомный анализ цианобактерии Synechococcus sp. PCC 7002, проведенный Бараном и др., показал, что этот фотоавтотроф может истощать разнообразный пул экзогенных метаболитов. [29] Последующее экзометаболомное исследование 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 ниши метаболитов, где каждый изолят использует только 13-26% метаболитов из почвы [30]
Вторичные метаболиты
Метаболический след для определения механизма действия противогрибковых веществ [31]
^ abc Allen, Jess (2003). «Высокопроизводительная классификация мутантов дрожжей для функциональной геномики с использованием метаболического футпринтинга». Nature Biotechnology . 21 (6): 692–696. doi :10.1038/nbt823. PMID 12740584. S2CID 15800623.
^ ab Мапелли, Валерия; Олссон, Лизбет; Нильсен, Йенс (2008-09-01). «Метаболический след в микробиологии: методы и приложения в функциональной геномике и биотехнологии». Тенденции в биотехнологии . 26 (9): 490–497. doi :10.1016/j.tibtech.2008.05.008. ISSN 0167-7799. PMID 18675480.
^ abcd Сильва, Лесли; Нортен, Трент (2015). «Экзометаболомика и MSI: деконструкция того, как клетки взаимодействуют для преобразования своей среды малых молекул». Current Opinion in Biotechnology . 34 : 209–216. doi : 10.1016/j.copbio.2015.03.015 . PMID 25855407.
^ Cuperlovic-Culf, Miroslava (2014). «Метаболомика в культуре клеток животных». В Al-Rubeai, M. (ред.). Культура клеток животных . Springer International Publishing. стр. 628. ISBN978-3-319-10320-4.
^ Россоу, Дебра; Нэс, Тормод; Бауэр, Флориан Ф. (2008-01-01). «Связывание регуляции генов и экзометаболома: сравнительный транскриптомный подход к идентификации генов, влияющих на выработку летучих ароматических соединений в дрожжах». BMC Genomics . 9 : 530. doi : 10.1186/1471-2164-9-530 . ISSN 1471-2164. PMC 2585593. PMID 18990252 .
^ Chumnanpuen, Pramote (2014). «Динамический метаболический футпринтинг выявляет ключевые компоненты метаболической сети в дрожжах Saccharomyces cerevisiae». International Journal of Genomics . 2014 : 894296. doi : 10.1155/2014/894296 . PMC 3926413. PMID 24616891 .
^ abc Kell, Douglas B.; Brown, Marie; Davey, Hazel M.; Dunn, Warwick B.; Spasic, Irena ; Oliver, Stephen G. (2005-07-01). «Метаболический след и системная биология: среда — это сообщение». Nature Reviews Microbiology . 3 (7): 557–565. doi :10.1038/nrmicro1177. ISSN 1740-1526. PMID 15953932. S2CID 18217591.
^ Вавилова, Н.А.; Устинова, М.В.; Войнова, ТМ; Степаниченко Н.Н.; Десять, ЛН; Мухамеджанов С.З.; Джавахия, В.Г. (01.07.1988). «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.
^ Тамбиев, AH; Шелястина, NN; Кирикова, NN (1989-01-01). "Экзометаболиты липидной природы из двух видов морских микроводорослей". Функциональная экология . 3 (2): 245–247. doi :10.2307/2389307. JSTOR 2389307.
^ Badenoch-Jones, Jane; Summons, RE; Djordjevic, MA; Shine, J.; Letham, DS; Rolfe, BG (1982-08-01). "Масс-спектрометрическое количественное определение индол-3-уксусной кислоты в супернатантах культур ризобий: связь с завивкой корневых волосков и образованием клубеньков". Applied and Environmental Microbiology . 44 (2): 275–280. doi :10.1128/AEM.44.2.275-280.1982. ISSN 0099-2240. PMC 242007 . PMID 16346073.
^ Нильсен, Йенс; Оливер, Стивен (2005-11-01). «Следующая волна в анализе метаболома». Тенденции в биотехнологии . 23 (11): 544–546. doi :10.1016/j.tibtech.2005.08.005. ISSN 0167-7799. PMID 16154652.
^ 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-Извлечение-Перенос» Масс-спектрометрическое изображение наноструктуры-инициатора акустически отпечатанных бактерий». Аналитическая химия . 85 (22): 10856–10862. doi :10.1021/ac402240q. ISSN 0003-2700. PMID 24111681.
^ ab Honoré, Anders H.; Thorsen, Michael; Skov, Thomas (2013-08-18). «Жидкостная хроматография–масс-спектрометрия для метаболического футпринтинга совместных культур молочнокислых и пропионовых бактерий». Аналитическая и биоаналитическая химия . 405 (25): 8151–8170. doi :10.1007/s00216-013-7269-3. ISSN 1618-2642. PMID 23954995. S2CID 21031529.
^ Косина, Сюзанна М.; Даниэльевич, Меган А.; Мохаммед, Муджахид; Рэй, Джаяшри; Сух, Юми; Йилмаз, Сюзан; Сингх, Ануп К.; Аркин, Адам П.; Дойчбауэр, Адам М. (2016-02-17). «Разработка и валидация синтетического облигатного мутуализма с помощью экзометаболомики». ACS Synthetic Biology . 5 (7): 569–576. doi :10.1021/acssynbio.5b00236. PMID 26885935.
^ Feist, Adam M.; Herrgard, Markus J. (2008). «Реконструкция биохимических сетей в микроорганизмах». Nature Reviews Microbiology . 7 (2): 129–143. doi :10.1038/nrmicro1949. PMC 3119670. PMID 19116616 .
^ Макнамара, LE; Сьостром, T.; Мик, RMD; Ореффо, ROC; Су, B.; Далби, MJ ; Берджесс, KEV (2012). «Метаболомика: ценный инструмент для мониторинга стволовых клеток в регенеративной медицине». Журнал интерфейса Королевского общества . 9 (73): 1713–1724. doi :10.1098/rsif.2012.0169. PMC 3385772. PMID 22628210 .
^ Гао, Пэн; Сюй, Гован (2014). «Микробная метаболомика на основе масс-спектрометрии: последние разработки и приложения». Anal Bioanal Chem . 407 (3): 669–680. doi :10.1007/s00216-014-8127-7. PMID 25216964. S2CID 30421756.
^ Сью, Т.; Оболонкин, В.; Гриффитс, Х.; Виллаш-Боас, С.Г. (2011). «Экзометаболомный подход к мониторингу микробного загрязнения в процессах ферментации микроводорослей с использованием анализа метаболического следа». Прикладная и экологическая микробиология . 77 (21): 7605–7610. doi :10.1128/aem.00469-11. PMC 3209156. PMID 21890679 .
^ Баран, Ричард; Боуэн, Бенджамин П.; Прайс, Морган Н.; Аркин, Адам П.; Дойчбауэр, Адам М.; Нортен, Трент Р. (18.01.2013). «Метаболический футпринтинг мутантных библиотек для сопоставления использования метаболитов с генотипом». ACS Chemical Biology . 8 (1): 189–199. doi :10.1021/cb300477w. ISSN 1554-8929. PMID 23082955.
^ Zha, Ying; Punt, Peter J. (2013-02-11). «Подходы экзометаболомики в изучении применения лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для ферментации». Metabolites . 3 (1): 119–143. doi : 10.3390/metabo3010119 . PMC 3901257 . PMID 24957893.
^ Кравченко, Л. В.; Азарова, Т. С.; Леонова-Ерко, Е. И.; Шапошников, А. И.; Макарова, Н. М.; Тихонович, И. А. (2003-01-01). "Корневые экссудаты растений томата и их влияние на рост и противогрибковую активность штаммов Pseudomonas". Микробиология . 72 (1): 37–41. doi :10.1023/A:1022269821379. ISSN 0026-2617. S2CID 6321050.
^ Рихтер, Чандра Л.; Данн, Барбара; Шерлок, Гэвин; Пью, Том (2013-06-01). «Сравнительный метаболический след большого количества коммерческих штаммов винных дрожжей при ферментации Шардоне». FEMS Yeast Research . 13 (4): 394–410. doi : 10.1111/1567-1364.12046 . ISSN 1567-1364. PMID 23528123.
^ Pasikanti, Kishore Kumar; Norasmara, Juwita; Cai, Shirong; Mahendran, Ratha; Esuvaranathan, Kesavan; Ho, Paul C.; Chan, Eric Chun Yong (2010-08-05). "Метаболический футпринтинг опухолеродных и неопухолеродных уроэпителиальных клеток с использованием двумерной газовой хроматографии с времяпролетной масс-спектрометрией". Аналитическая и биоаналитическая химия . 398 (3): 1285–1293. doi :10.1007/s00216-010-4055-3. ISSN 1618-2642. PMID 20686754. S2CID 10422166.
^ To, Kelvin KW; Fung, Ami MY; Teng, Jade LL; Curreem, Shirly OT; Lee, Kim-Chung; Yuen, Kwok-Yung; Lam, Ching-Wan; Lau, Susanna KP; Woo, Patrick CY (2012-11-07). «Псевдовспышка Tsukamurella, охарактеризованная с помощью фенотипических тестов, секвенирования 16S рРНК, электрофореза в пульсирующем поле и метаболического футпринтинга». Журнал клинической микробиологии . 51 (1): JCM.02845–12. doi :10.1128/JCM.02845-12. ISSN 0095-1137. PMC 3536211. PMID 23135942 .
^ Мишур, Роберт Дж.; Батлер, Джеффри А.; Ри, Шейн Л. (01.01.2013). Толлефсбол, Тригве О. (ред.). Экзометаболомное картирование Caenorhabditis elegans: инструмент для неинвазивного исследования старения . Методы в молекулярной биологии. Т. 1048. Humana Press. стр. 195–213. doi :10.1007/978-1-62703-556-9_15. ISBN9781627035552. PMID 23929107.
^ Elsheikha, Hany M; Alkurashi, Mamdowh; Kong, Kenny; Zhu, Xing-Quan (2014-06-28). "Метаболический отпечаток внеклеточных метаболитов эндотелия мозга, инфицированного Neospora caninum in vitro". BMC Research Notes . 7 (1): 406. doi : 10.1186/1756-0500-7-406 . PMC 4105892. PMID 24973017 .
^ Poulson-Ellestad, Kelsey L.; Harvey, Elizabeth L.; Johnson, Matthew D.; Mincer, Tracy J. (2016-01-01). "Доказательства штаммоспецифических экзометаболических реакций кокколитофориды Emiliania huxleyi на выедание динофлагеллятой Oxyrrhis marina". Frontiers in Marine Science . 3 : 1. doi : 10.3389/fmars.2016.00001 . hdl : 1912/8760 .
^ Коррейя, Гонсало дос Сантос. «Сочетание метаболического следа и анализа баланса потоков для прогнозирования того, как нокауты одного гена нарушают микробный метаболизм». repositorio.ul.pt . Получено 23.04.2016 .
^ Баран, Ричард; Боуэн, Бенджамин П.; Нортен, Трент Р. (2011-01-12). «Нецелевой метаболический след выявляет удивительную широту поглощения и высвобождения метаболитов Synechococcus sp. PCC 7002». Molecular BioSystems . 7 (12): 3200–3206. doi :10.1039/C1MB05196B. PMID 21935552.
