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7.22C: Metabolomik - Biologie

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Lernziele

  • Metabolomik überprüfen

Metabolomics ist die wissenschaftliche Untersuchung chemischer Prozesse, an denen Metaboliten beteiligt sind. Das Metabolom stellt die Sammlung aller Metaboliten dar, die die Endprodukte zellulärer Prozesse in einer biologischen Zelle, einem Gewebe, einem Organ oder einem Organismus sind. Während also mRNA-Genexpressionsdaten und Proteomanalysen nicht die ganze Geschichte dessen erzählen, was in einer Zelle passieren könnte, kann das metabolische Profiling eine sofortige Momentaufnahme der Physiologie dieser Zelle liefern. Eine der Herausforderungen der Systembiologie und funktionellen Genomik besteht darin, proteomische, transkriptomische und metabolomische Informationen zu integrieren, um ein vollständigeres Bild lebender Organismen zu erhalten.

Geschichte und Entwicklung

Die Idee, dass biologische Flüssigkeiten die Gesundheit eines Individuums widerspiegeln, existiert schon lange. Der Begriff „metabolisches Profil“ wurde von Horning et al. 1971, nachdem sie gezeigt hatten, dass Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS; ) verwendet werden kann, um Verbindungen zu messen, die in menschlichen Urin- und Gewebeextrakten vorhanden sind. GC-MS ist eine Methode, die die Funktionen der Gas-Flüssig-Chromatographie und der Massenspektrometrie kombiniert, um verschiedene Substanzen in einer Testprobe zu identifizieren. Gleichzeitig machte auch die in den 1940er Jahren entdeckte NMR-Spektroskopie rasante Fortschritte. 1974 haben Seeley et al. demonstrierten die Nützlichkeit der Verwendung von NMR zum Nachweis von Metaboliten in unmodifizierten biologischen Proben. Diese erste Studie an Muskelgewebe unterstrich den Wert der NMR, indem festgestellt wurde, dass 90% des zellulären ATP mit Magnesium komplexiert sind. Da sich die Empfindlichkeit mit der Entwicklung höherer magnetischer Feldstärken und der Drehung um den magischen Winkel verbessert hat, ist die NMR weiterhin ein führendes analytisches Werkzeug zur Untersuchung des Stoffwechsels.

Im Jahr 2005 wurde die erste Metabolomics-Webdatenbank zur Charakterisierung menschlicher Metaboliten, METLIN, im Siuzdak-Labor des Scripps Research Institute entwickelt. METLIN enthielt über 10.000 Metaboliten und Tandem-Massenspektraldaten. Am 23. Januar 2007 hat das Human Metabolome Project unter der Leitung von Dr. David Wishart von der University of Alberta, Kanada, den ersten Entwurf des menschlichen Metaboloms, bestehend aus einer Datenbank mit ca. 2500 Metaboliten, 1200 Medikamenten und 3500 Nahrungsbestandteilen, fertiggestellt.

Noch Mitte 2010 galt die Metabolomik als „emerging field“. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass weitere Fortschritte auf diesem Gebiet größtenteils das Ergebnis der Bewältigung ansonsten „unlösbarer technischer Herausforderungen“ durch die technische Weiterentwicklung der Massenspektrometrie-Instrumente waren. Das Wort wurde in Analogie zu Transkriptomik und Proteomik geprägt. Wie das Transkriptom und das Proteom ist das Metabolom dynamisch und ändert sich von Sekunde zu Sekunde. Obwohl das Metabolom leicht genug definiert werden kann, ist es derzeit nicht möglich, das gesamte Spektrum der Metaboliten mit einer einzigen analytischen Methode zu analysieren.

Metaboliten sind die Zwischenprodukte und Produkte des Stoffwechsels. Im Kontext der Metabolomik wird ein Metabolit normalerweise als jedes Molekül mit einer Größe von weniger als 1 kDa definiert. Davon gibt es jedoch je nach Probe und Nachweismethode Ausnahmen. Makromoleküle wie Lipoproteine ​​und Albumin werden in NMR-basierten Metabolomics-Studien von Blutplasma zuverlässig nachgewiesen. In der pflanzlichen Metabolomik spricht man häufig von „Primärmetaboliten“, die direkt an Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung beteiligt sind, und „Sekundärmetaboliten“, die indirekt an Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung beteiligt sind. Im Gegensatz dazu ist es in der humanbasierten Metabolomik üblicher, Metaboliten entweder als endogen (vom Wirtsorganismus produziert) oder als exogen zu beschreiben. Das Metabolom bildet ein großes Netzwerk von Stoffwechselreaktionen, bei denen die Ergebnisse einer enzymatischen chemischen Reaktion Input für andere chemische Reaktionen sind. Solche Systeme wurden als Hyperzyklen bezeichnet.

Trennmethoden: Die Gaschromatographie, insbesondere in Verbindung mit der Massenspektrometrie (GC-MS), ist eine der am weitesten verbreiteten und leistungsfähigsten Methoden. Es bietet eine sehr hohe chromatographische Auflösung, erfordert jedoch für viele Biomoleküle eine chemische Derivatisierung: Nur flüchtige Chemikalien können ohne Derivatisierung analysiert werden.

Nachweismethoden: Massenspektrometrie (MS) wird verwendet, um Metaboliten nach der Trennung zu identifizieren und zu quantifizieren. Die oberflächenbasierte Massenanalyse hat in den letzten zehn Jahren ein Wiederaufleben erlebt, wobei neue MS-Technologien darauf ausgerichtet sind, die Empfindlichkeit zu erhöhen, den Hintergrund zu minimieren und die Probenvorbereitung zu reduzieren.

Statistische Methoden: Die in der Metabolomik generierten Daten bestehen in der Regel aus Messungen, die an Probanden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt wurden. Diese Messungen können digitalisierte Spektren oder eine Liste von Metabolitenspiegeln sein. In seiner einfachsten Form erzeugt dies eine Matrix mit Zeilen, die den Subjekten entsprechen, und Spalten, die den Metabolitenspiegeln entsprechen.

Schlüsselanwendungen

  • Toxizitätsbewertung/Toxikologie. Metabolisches Profiling, insbesondere von Urin- oder Blutplasmaproben, kann verwendet werden, um die physiologischen Veränderungen zu erkennen, die durch eine toxische Belastung einer Chemikalie oder eines Chemikaliengemisches verursacht werden. Dies ist insbesondere für Pharmaunternehmen von Bedeutung, die die Toxizität potenzieller Medikamentenkandidaten testen möchten.
  • Funktionelle Genomik. Metabolomics kann ein ausgezeichnetes Werkzeug sein, um den Phänotyp zu bestimmen, der durch eine genetische Manipulation wie Gendeletion oder -insertion verursacht wird. Manchmal kann dies allein schon ein ausreichendes Ziel sein – zum Beispiel um phänotypische Veränderungen in einer gentechnisch veränderten Pflanze zu erkennen, die für den menschlichen oder tierischen Verzehr bestimmt ist. Spannender ist die Aussicht, die Funktion unbekannter Gene durch Vergleich mit den metabolischen Störungen durch Deletion/Insertion bekannter Gene vorherzusagen.

Wichtige Punkte

  • Das Metabolom stellt die Sammlung aller Metaboliten in einer biologischen Zelle, einem Gewebe, einem Organ oder einem Organismus dar, die Endprodukte zellulärer Prozesse sind.
  • Metaboliten sind die Zwischenprodukte und Produkte des Stoffwechsels.
  • Das Metabolom bildet ein großes Netzwerk von Stoffwechselreaktionen, wobei die Ergebnisse einer enzymatischen chemischen Reaktion als Input für andere chemische Reaktionen verwendet werden.
  • NMR und Massenspektroskopie sind die am häufigsten verwendeten Techniken zur Identifizierung von Metaboliten.

Schlüsselbegriffe

  • Metabolomik: Die Untersuchung des Spektrums von Metaboliten, die im Körper einer Person zu normalen Zeiten und bei bestimmten Krankheiten vorhanden sind; kann als Diagnosewerkzeug nützlich sein
  • Massenspektrometer: Eine analytische Technik, die das Masse/Ladungs-Verhältnis der Ionen misst, die gebildet werden, wenn ein Molekül oder Atom ionisiert, verdampft und in ein Vakuum eingebracht wird. Bei der Massenspektrometrie kann es auch darum gehen, Moleküle in Fragmente zu zerlegen – und so ihre Struktur zu bestimmen.
  • Metabolit: Jede Substanz, die durch eine Stoffwechselreaktion produziert wird oder an einer solchen teilnimmt.