Экзометаболомика
Экзометаболомика , также известная как «метаболический след». [ 1 ] [ 2 ] Это изучение внеклеточных метаболитов и является подобластью метаболомики . [ 3 ]
Хотя те же аналитические подходы, которые используются для определения профиля метаболитов, применимы к экзометаболомике, включая жидкостную хроматографию, масс-спектрометрию (ЖХ-МС), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и газовую хроматографию-масс-спектрометрию (ГХ-МС), анализ экзометаболитов представляет собой специфические проблемы и чаще всего фокусируется на изучении трансформаций пулов экзогенных метаболитов биологическими системами. [ 3 ] Обычно эти эксперименты проводят путем сравнения метаболитов в двух или более временных точках, например, израсходованную и неинокулированную/контрольную культуральную среду; этот подход может дифференцировать различные физиологические состояния дрожжей дикого типа и между дрожжевыми мутантами. [ 1 ] Поскольку во многих случаях пул экзометаболитов ( внеклеточный ) менее динамичен, чем пулы эндометаболитов ( внутриклеточные ) (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 протеомные данные, чтобы получить представление о функции генов и путей. Кроме того, экзометаболомика может использоваться для измерения полярных молекул, потребляемых или высвобождаемых организмом, а также для измерения производства вторичных метаболитов . [ 6 ] [ 7 ]
История
[ редактировать ]Изучение внеклеточных метаболитов широко распространено в научной литературе. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Однако глобальное профилирование экзометаболитов было реализовано только благодаря недавним достижениям, позволившим улучшить хроматографическое 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 ввели термин «метаболитный след». [ 1 ] [ 7 ] Эта работа вызвала большой интерес в обществе, особенно в плане характеристики микробного метаболизма . [ 2 ] Идея «экзометаболома», включающего компоненты пула экзометаболитов, не была представлена до 2005 года. [ 11 ]
Недавние достижения в области масс-спектрометрической визуализации позволили пространственно локализовать высвобождаемые метаболиты. [ 12 ] Поскольку область микробиологии становится все более сосредоточенной на структуре микробного сообщества , экзометаболомика обеспечила быстрое понимание метаболических взаимодействий между двумя или более видами. [ 13 ] Недавно экзометаболомика была использована для разработки систем совместного культивирования. [ 14 ] Поскольку анализ внеклеточных метаболитов позволяет прогнозировать и определять обмен метаболитов , экзометаболомный анализ может использоваться для понимания экологических сетей сообщества . [ 15 ]
Аналитические технологии
[ редактировать ]В принципе, любые технологии, используемые в метаболомике, могут быть использованы для экзометаболомики. Однако жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ-МС). наиболее широкое распространение получила [ 3 ] Как и при типичных метаболомных измерениях, метаболиты идентифицируются на основе точной массы, времени удерживания и моделей их фрагментации MS/MS по сравнению с аутентичными стандартами. Обычно используемая хроматография представляет собой жидкостную хроматографию гидрофильного взаимодействия для измерения полярных метаболитов, [ 16 ] или обращенно-фазовая (C18) хроматография для измерения неполярных соединений, липидов и вторичных метаболитов. [ 17 ] Газовую хроматографию-масс-спектрометрию также можно использовать для измерения сахара 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-спектрометрической визуализацией (MSI). [ 3 ]
Приложения
[ редактировать ]Экзометаболомные методы использовались в следующих областях:
Функциональная геномика
[ редактировать ]Использование метаболитов для аннотирования функций неизвестных генов. [ 19 ]
Биоэнергетика
[ редактировать ]В исследованиях лигноцеллюлозного сырья. [ 20 ]
Сельское хозяйство и продовольствие
[ редактировать ]Характеристика экзометаболитов корней растений для определения того, как экзометаболиты влияют на ризобактерии, способствующие росту растений . [ 21 ]
Метаболический след штаммов дрожжей для идентификации штаммов дрожжей, оптимальных для повышения эффективности брожения и положительных качеств вина. [ 22 ]
Здоровье
[ редактировать ]Дифференциация здоровых и раковых клеток мочевого пузыря по метаболическому следу. [ 23 ]
«Следование» в сочетании с другими методами для раннего распознавания вспышки и определения характеристик штамма. [ 24 ]
Изучение старения с помощью экзометаболомики C. elegans . [ 25 ]
Анализ внеклеточных метаболитов для оценки механизма патогенеза внутриклеточных протозойных паразитов. [ 26 ]
Анализ круговорота углерода
[ редактировать ]Глобальная фиксация углерода, взаимодействие фитопланктона и динофлагелятов и экзометаболомика. [ 27 ]
Микробные сообщества
[ редактировать ]Взаимодействие экзометаболитов E. coli с C. elegans влияет на продолжительность жизни. [ 28 ]
Бактерии и дрожжи в молочных системах. [ 13 ]
Биоремедиация
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( август 2016 г. ) |
Разделение метаболических ниш
[ редактировать ]В 2010 году экзометаболомный анализ цианобактерии Synechococcus sp. PCC 7002 от Baran и др. выявили, 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 метаболитных ниш, где каждый изолят использует только 13-26% метаболиты из почвы [ 30 ]
Вторичные метаболиты
[ редактировать ]Метаболический след для определения механизма действия противогрибковых веществ [ 31 ]
См. также
[ редактировать ]- Масс-спектрометрия
- Метаболомика
- Метаболом
- Метаболитная дактилоскопия
- Масс-спектрометрическая визуализация
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Аллен, Джесс (2003). «Высокопроизводительная классификация дрожжевых мутантов для функциональной геномики с использованием метаболического следа». Природная биотехнология . 21 (6): 692–696. дои : 10.1038/nbt823 . ПМИД 12740584 . S2CID 15800623 .
- ^ Jump up to: а б Мапелли, Валерия; Олссон, Лисбет; Нильсен, Йенс (1 сентября 2008 г.). «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 . ПМИД 18675480 .
- ^ Jump up to: а б с д Сильва, Лесли; Нортен, Трент (2015). «Экзометаболомика и MSI: деконструкция взаимодействия клеток с целью преобразования их среды малых молекул» . Современное мнение в области биотехнологии . 34 : 209–216. дои : 10.1016/j.copbio.2015.03.015 . ПМИД 25855407 .
- ^ Куперлович-Кульф, Мирослава (2014). «Метаболомика в культуре клеток животных» . В Аль-Рубеаи, М. (ред.). Культура клеток животных . Международное издательство Спрингер. п. 628. ИСБН 978-3-319-10320-4 .
- ^ Россоу, Дебра; Нэс, Тормод; Бауэр, Флориан Ф. (1 января 2008 г.). «Связь регуляции генов и экзометаболома: сравнительный транскриптомный подход к идентификации генов, которые влияют на выработку летучих ароматических соединений в дрожжах» . БМК Геномика . 9 :530. дои : 10.1186/1471-2164-9-530 . ISSN 1471-2164 . ПМЦ 2585593 . ПМИД 18990252 .
- ^ Чумнанпуэн, Прамоте (2014). «Динамический метаболический след раскрывает ключевые компоненты метаболической сети дрожжей Saccharomyces cerevisiae» . Международный журнал геномики . 2014 : 894296. doi : 10.1155/2014/894296 . ПМЦ 3926413 . ПМИД 24616891 .
- ^ Jump up to: а б с Келл, Дуглас Б.; Браун, Мари; Дэйви, Хейзел М.; Данн, Уорик Б.; Спасич, Ирена ; Оливер, Стивен Г. (1 июля 2005 г.). «Метаболический след и системная биология: среда — это сообщение». Обзоры природы Микробиология . 3 (7): 557–565. дои : 10.1038/nrmicro1177 . ISSN 1740-1526 . ПМИД 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 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 .
- ^ Баденок-Джонс, Джейн; Вызов, RE; Джорджевич, Массачусетс; Шайн, Дж.; Летэм, Д.С.; Рольфе, Б.Г. (1 августа 1982 г.). «Масс-спектрометрическое количественное определение индол-3-уксусной кислоты в супернатантах культуры ризобий: связь с завиванием корневых волос и возникновением клубеньков» . Прикладная и экологическая микробиология . 44 (2): 275–280. дои : 10.1128/АЕМ.44.2.275-280.1982 . ISSN 0099-2240 . ПМК 242007 . ПМИД 16346073 .
- ^ Нильсен, Йенс; Оливер, Стивен (1 ноября 2005 г.). «Следующая волна метаболомного анализа». Тенденции в биотехнологии . 23 (11): 544–546. дои : 10.1016/j.tibtech.2005.08.005 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 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.). « Масс-спектрометрическая визуализация наноструктуры-инициатора «Реплика-экстракция-перенос» акустически напечатанных бактерий». Аналитическая химия . 85 (22): 10856–10862. дои : 10.1021/ac402240q . ISSN 0003-2700 . ПМИД 24111681 .
- ^ Jump up to: а б Оноре, Андерс Х.; Торсен, Майкл; Сков, Томас (18 августа 2013 г.). «Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия для метаболического отслеживания совместных культур молочнокислых и пропионовых бактерий». Аналитическая и биоаналитическая химия . 405 (25): 8151–8170. дои : 10.1007/s00216-013-7269-3 . ISSN 1618-2642 . ПМИД 23954995 . S2CID 21031529 .
- ^ Косина, Сюзанна М.; Даниэлевич, Меган А.; Мохаммед, Муджахид; Рэй, Джаяшри; Су, Юми; Йылмаз, Сюзан; Сингх, Ануп К.; Аркин, Адам П.; Дойчбауэр, Адам М. (17 февраля 2016 г.). «Экзометаболомика помогла разработать и подтвердить синтетический облигатный мутуализм» . ACS Синтетическая биология . 5 (7): 569–576. дои : 10.1021/acsynbio.5b00236 . ПМИД 26885935 .
- ^ Файст, Адам М.; Херргард, Маркус Дж. (2008). «Реконструкция биохимических сетей микроорганизмов» . Обзоры природы Микробиология . 7 (2): 129–143. дои : 10.1038/nrmicro1949 . ПМК 3119670 . ПМИД 19116616 .
- ^ Макнамара, Ю.Л.; Сьостром, Т.; Мик, RMD; Ореффо, Китайская республика; Су, Б.; Далби, MJ ; Берджесс, КЕВ (2012). «Метаболомика: ценный инструмент мониторинга стволовых клеток в регенеративной медицине» . Журнал интерфейса Королевского общества . 9 (73): 1713–1724. дои : 10.1098/rsif.2012.0169 . ПМЦ 3385772 . ПМИД 22628210 .
- ^ Гао, Пэн; Сюй, Гован (2014). «Микробная метаболомика на основе масс-спектрометрии: последние разработки и применения». Анальная биоанальная химия . 407 (3): 669–680. дои : 10.1007/s00216-014-8127-7 . ПМИД 25216964 . S2CID 30421756 .
- ^ Сью, Т.; Оболонкин В.; Гриффитс, Х.; Виллаш-Боас, SG (2011). «Экзометаболомный подход к мониторингу микробного загрязнения в процессах ферментации микроводорослей с использованием анализа метаболического следа» . Прикладная и экологическая микробиология . 77 (21): 7605–7610. дои : 10.1128/aem.00469-11 . ПМК 3209156 . ПМИД 21890679 .
- ^ Бэран, Ричард; Боуэн, Бенджамин П.; Прайс, Морган Н.; Аркин, Адам П.; Дойчбауэр, Адам М.; Нортен, Трент Р. (18 января 2013 г.). «Метаболический след библиотек мутантов для сопоставления использования метаболитов с генотипом». АКС Химическая биология . 8 (1): 189–199. дои : 10.1021/cb300477w . ISSN 1554-8929 . ПМИД 23082955 .
- ^ Жа, Ин; Пунт, Питер Дж. (11 февраля 2013 г.). «Экзометаболомные подходы к изучению применения лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для ферментации» . Метаболиты . 3 (1): 119–143. дои : 10.3390/metabo3010119 . ПМЦ 3901257 . ПМИД 24957893 .
- ^ Кравченко Л.В.; Азарова, Т.С.; Леонова-Эрко, Е.И.; Шапошников А.И.; Макарова, Н.М.; Тихонович И.А. (01.01.2003). «Корневые экссудаты растений томата 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 .
- ^ Рихтер, Чандра Л.; Данн, Барбара; Шерлок, Гэвин; Пью, Том (2013-06-01). «Сравнительная метаболическая отпечатка большого количества коммерческих винных дрожжевых штаммов в ферментации Шардоне» . FEMS DESS RESECTION . 13 (4): 394–410. doi : 10.1111/1567-1364.12046 . ISSN 1567-1364 . PMID 23528123 .
- ^ Пасиканти, Кишор Кумар; Norasmara, Juwita; Кай, Широнг; Махендран, Ратха; Esuvaranathan, Kesavan; Хо, Пол С.; Чан, Эрик Чун Йонг (2010-08-05). «Метаболическая отпечатка онкогенных и нентуморигенных ураэпителиальных клеток с использованием масс-спектрометрии с двумерной газовой хроматографией». Аналитическая и биоаналитическая химия . 398 (3): 1285–1293. doi : 10.1007/s00216-010-4055-3 . ISSN 1618-2642 . PMID 20686754 . S2CID 10422166 .
- ^ То, Кельвин К.В.; Фунг, Ами МОЙ; Тенг, Джейд LL; Каррим, Ширли ОТ; Ли, Ким-Чунг; Юэнь, Квок-Юнг; Лам, Чинг-Ван; Лау, Сюзанна КП; Ву, Патрик Сай (07 ноября 2012 г.). «Псевдовспышка цукамуреллы, характеризующаяся 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 . ПМЦ 3536211 . ПМИД 23135942 .
- ^ Мишур, Роберт Дж.; Батлер, Джеффри А.; Ри, Шейн Л. (01.01.2013). Толлефсбол, Трюгве О. (ред.). Экзометаболомное картирование Caenorhabditis elegans: инструмент для неинвазивного исследования старения . Методы молекулярной биологии. Том. 1048. Хумана Пресс. стр. 195–213. дои : 10.1007/978-1-62703-556-9_15 . ISBN 9781627035552 . ПМИД 23929107 .
- ^ Эльшейха, Хани М; Алкураши, Мамдоу; Конг, Кенни; Чжу, Син-Цюань (28 июня 2014 г.). «Метаболический след внеклеточных метаболитов эндотелия головного мозга, инфицированного Neospora caninum in vitro» . Исследовательские заметки BMC . 7 (1): 406. doi : 10.1186/1756-0500-7-406 . ПМК 4105892 . ПМИД 24973017 .
- ^ Поулсон-Эллестад, Келси Л.; Харви, Элизабет Л.; Джонсон, Мэтью Д.; Минсер, Трейси Дж. (01 января 2016 г.). «Доказательства штамм-специфической экзометаболомной реакции кокколитофора Emiliania huxleyi на выпас динофлагелляты Oxyrris marina» . Границы морской науки . 3 : 1. дои : 10.3389/fmars.2016.00001 . hdl : 1912/8760 .
- ^ Коррейя, Гонсалу душ Сантуш. «Сочетание метаболического следа и анализа баланса потоков для прогнозирования того, как нокауты отдельных генов нарушают микробный метаболизм» . репозиторий.ul.pt . Проверено 23 апреля 2016 г.
- ^ Бэран, Ричард; Боуэн, Бенджамин П.; Нортен, Трент Р. (12 января 2011 г.). «Нецелевое метаболическое воздействие показывает удивительную широту поглощения и высвобождения метаболитов Synechococcus sp. PCC 7002» . Молекулярные биосистемы . 7 (12): 3200–3206. дои : 10.1039/C1MB05196B . ПМИД 21935552 .
- ^ Бэран, Ричард; Броди, Эоин Л.; Мэйберри-Льюис, Джазмин; Хаммел, Эрик; Да Роча, Улиссес Нуньес; Чакраборти, Роми; Боуэн, Бенджамин П.; Караоз, Улас; Кадилло-Кирос, Хинсби (22 сентября 2015 г.). «Распределение экзометаболитных ниш среди симпатрических почвенных бактерий» . Природные коммуникации . 6 : 8289. Бибкод : 2015NatCo...6.8289B . дои : 10.1038/ncomms9289 . ПМЦ 4595634 . ПМИД 26392107 .
- ^ Аллен, Джесс; Дэйви, Хейзел М.; Бродхерст, Дэвид; Роуленд, Джем Дж.; Оливер, Стивен Г.; Келл, Дуглас Б. (1 октября 2004 г.). «Дискриминация способов действия противогрибковых веществ с помощью метаболического следа» . Прикладная и экологическая микробиология . 70 (10): 6157–6165. дои : 10.1128/АЕМ.70.10.6157-6165.2004 . ISSN 0099-2240 . ПМК 522091 . ПМИД 15466562 .