Magnetic Resonance Mass Spectrometry (MRMS) discriminates yeast mutants through metabolomics
Aplikace | 2021 | BrukerInstrumentace
Metabolomika poskytuje cenné poznatky o buněčných metabolických drahách a umožňuje rozlišit i fenotypicky identické, geneticky velmi podobné mikroorganismy. Methylglyoxal je cytotoxický vedlejší produkt glykolýzy, jehož detoxifikace je zásadní pro udržení buněčné homeostázy. Segmentace metabolických profilů na základě vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie s magnetickým rezonancí (MRMS) přináší dosud nevídanou schopnost odhalit jemné změny v metabolických drahách.
Cílem studie bylo ověřit, zda metoda MRMS aXelerate® dokáže rozlišit jednotlivé mutanty kvasinek Saccharomyces cerevisiae s nerozlišitelným fenotypem, u nichž bylo vyřazeno jedno z genů odpovědných za metabolismus methylglyoxalu (GLO1, GLO2, GRE3). Autoři sledovali změny v koncentraci metabolitů, zejména glutathionu, a vyhodnotili diskriminační schopnost metody.
Metoda odhalila přes 21 000 unikátních signálů, z nichž bylo 624 přiřazeno přes HMDB a 3 943 potvrzeno molekulovou formulí. PCA a hierarchická analýza jasně rozdělily vzorky do dvou skupin: jednu tvořily buňky s neporušenou glyoxalázovou drahou (BY4741, ΔGRE3) a druhou mutanty ΔGLO1 a ΔGLO2. Glutathion se ukázal jako hlavní diskriminační biomarker (VIP nejvyšší hodnota), jehož koncentrace byla snížena zejména u ΔGLO2, což odpovídá nemožnosti regenerace redukované formy. Vysoké rozlišení MRMS navíc umožnilo identifikovat až dvanáct izotopologů glutathionu a přesně určovat jeho molekulovou formuli.
Očekává se rozšíření MRMS ve vysokopropustných metabolomických platformách pro screening mikrobiálních kmenů a v environmentální analýze. Kombinace s chromatografickými technikami a pokročilou bioinformatikou může dále zvýšit separační schopnost a odhalit dosud nepoznané metabolity. Ve farmaceutickém a biotechnologickém průmyslu lze využít workflow aXelerate® pro validaci výrobních kmenů a sledování stresových odpovědí.
Workflow MRMS aXelerate® pro untargeted metabolomiku prokázalo vysokou citlivost a selektivitu při rozlišení kvasinkových mutantů s rozdílnými enzymy glyoxalázové dráhy. Klíčovým ukazatelem byl glutathion, jehož distribuce umožnila jasné rozdělení vzorků. Výsledky potvrzují, že metabolomická biotypizace mikroorganismů může překonat tradiční molekulární metody a otevírá nové možnosti v analytické chemii.
LC/Ultra-HRMS, LC/IT
ZaměřeníMetabolomika
VýrobceBruker
Souhrn
Význam tématu
Metabolomika poskytuje cenné poznatky o buněčných metabolických drahách a umožňuje rozlišit i fenotypicky identické, geneticky velmi podobné mikroorganismy. Methylglyoxal je cytotoxický vedlejší produkt glykolýzy, jehož detoxifikace je zásadní pro udržení buněčné homeostázy. Segmentace metabolických profilů na základě vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie s magnetickým rezonancí (MRMS) přináší dosud nevídanou schopnost odhalit jemné změny v metabolických drahách.
Cíle a přehled studie / článku
Cílem studie bylo ověřit, zda metoda MRMS aXelerate® dokáže rozlišit jednotlivé mutanty kvasinek Saccharomyces cerevisiae s nerozlišitelným fenotypem, u nichž bylo vyřazeno jedno z genů odpovědných za metabolismus methylglyoxalu (GLO1, GLO2, GRE3). Autoři sledovali změny v koncentraci metabolitů, zejména glutathionu, a vyhodnotili diskriminační schopnost metody.
Použitá metodika a instrumentace
- Modelový organismus: Saccharomyces cerevisiae (BY4741, ΔGLO1, ΔGLO2, ΔGRE3)
- Příprava vzorku: kultivace v YPD médiu při 30 °C, extrakce metabolitů methanol/voda (1:1), přidání formiové kyseliny a interního standardu leucine-enkephalinu
- Analýza: direct infusion MRMS (solariX XR 7T, ESI+, až 1 000 000 rozlišení @ m/z 400), 100 skenů
- Softwarové zpracování dat: MetaboScape® 4.0 s algoritmem T-ReX® pro zarovnání a normalizaci signálů, identifikace pomocí SmartFormula (≤0,2 ppm) a databází YMDB a HMDB
- Statistické metody: PCA, hierarchické seskupování, PLS-DA s výpočtem VIP skóre
Hlavní výsledky a diskuse
Metoda odhalila přes 21 000 unikátních signálů, z nichž bylo 624 přiřazeno přes HMDB a 3 943 potvrzeno molekulovou formulí. PCA a hierarchická analýza jasně rozdělily vzorky do dvou skupin: jednu tvořily buňky s neporušenou glyoxalázovou drahou (BY4741, ΔGRE3) a druhou mutanty ΔGLO1 a ΔGLO2. Glutathion se ukázal jako hlavní diskriminační biomarker (VIP nejvyšší hodnota), jehož koncentrace byla snížena zejména u ΔGLO2, což odpovídá nemožnosti regenerace redukované formy. Vysoké rozlišení MRMS navíc umožnilo identifikovat až dvanáct izotopologů glutathionu a přesně určovat jeho molekulovou formuli.
Přínosy a praktické využití metody
- Metoda umožňuje spolehlivě rozlišit geneticky téměř identické kmeny bez nutnosti sekvenování genomu či proteomické analýzy
- Poskytuje komplexní pohled na metabolické změny, což je klíčové pro biotypizaci mikroorganismů, QA/QC v potravinářství a biotechnologiích
- Vysoké rozlišení a přesnost MRMS zajišťují jednoznačnou identifikaci malých molekul a jejich izotopologů
Budoucí trendy a možnosti využití
Očekává se rozšíření MRMS ve vysokopropustných metabolomických platformách pro screening mikrobiálních kmenů a v environmentální analýze. Kombinace s chromatografickými technikami a pokročilou bioinformatikou může dále zvýšit separační schopnost a odhalit dosud nepoznané metabolity. Ve farmaceutickém a biotechnologickém průmyslu lze využít workflow aXelerate® pro validaci výrobních kmenů a sledování stresových odpovědí.
Závěr
Workflow MRMS aXelerate® pro untargeted metabolomiku prokázalo vysokou citlivost a selektivitu při rozlišení kvasinkových mutantů s rozdílnými enzymy glyoxalázové dráhy. Klíčovým ukazatelem byl glutathion, jehož distribuce umožnila jasné rozdělení vzorků. Výsledky potvrzují, že metabolomická biotypizace mikroorganismů může překonat tradiční molekulární metody a otevírá nové možnosti v analytické chemii.
Reference
- Gomes RA, Sousa Silva M, Vicente Miranda H, Ferreira AEN, Cordeiro CAA, Freire AP. Protein glycation in Saccharomyces cerevisiae. FEBS Journal. 2005;272:4521–4531
- Kuepfer L, Sauer U, Blank LM. Metabolic functions of duplicate genes in Saccharomyces cerevisiae. Genome Research. 2005;15(10):1421–1430
- Ramirez-Gaona M, Marcu A, Pon A, Guo AC, Sajed T, Wishart DS. YMDB 2.0: a significantly expanded version of the yeast metabolome database. Nucleic Acids Research. 2017;45(D1):D440–D445
- Sousa Silva M, Gomes RA, Ferreira AE, Ponces Freire A, Cordeiro C. The glyoxalase pathway: the first hundred years... and beyond. Biochemical Journal. 2013;453(1):1–15
- Vander Jagt DL, Hunsaker LA. Methylglyoxal metabolism and diabetic complications: roles of aldose reductase, glyoxalase-I, betaine aldehyde dehydrogenase and 2-oxoaldehyde dehydrogenase. Chemical Biology Interactions. 2003;143–144:341–351
- Wagner A. Robustness against mutations in genetic networks of yeast. Nature Genetics. 2000;24(4):355–361
- Winzeler EA, et al. Functional characterization of the S. cerevisiae genome by gene deletion and parallel analysis. Science. 1999;285(5429):901–906
- Wishart DS, et al. HMDB: the Human Metabolome Database. Nucleic Acids Research. 2007;35(Database issue):D521–D526
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Targeted Proteomic Analysis of Central Metabolic Enzymes Using Nano-LC-Triple Quadrupole Mass Spectrometry
2023|Shimadzu|Aplikace
Application Note No. 88 Targeted Proteomic Analysis of Central Metabolic Enzymes Using Nano-LC-Triple Quadrupole Mass Spectrometry Fumio Matsuda1,2,3, Takafumi Iwakura1, Taisuke Seike1 and Yutaka Umakoshi4 Life Science Life Sciences Central metabolic pathways also play a role in the ability of…
Klíčová slova
central, centralenzymes, enzymesmetabolic, metabolicexpression, expressionnano, nanotargeted, targetedcerevisiae, cerevisiaeproteomics, proteomicsmrm, mrmmass, massstarkeyi, starkeyimetabolism, metabolismpathways, pathwayslipomyces, lipomycestrypsin
Qualitative Analysis of Phytochemicals by High-resolution Mass Spectrometry -Analysis for Prenylnaringenin-
2022|Shimadzu|Aplikace
Application Note No. 72 Qualitative Analysis of Phytochemicals by High-resolution Mass Spectrometry -Analysis for PrenylnaringeninNobuyuki Okahashi*1, 2, 3, Shota Isogai*4, 5, 6, Jun Ishii*4, 5, 7, Junna Nakazono*8, Fumio Matsuda*1, 2, 3 Metabolic engineering Metabolic engineering Abstract 1. Introduction…
Klíčová slova
prenylnaringenin, prenylnaringeninprenylation, prenylationnaringenin, naringeninmicrobes, microbessaccharomyces, saccharomycesengineering, engineeringbioproduction, bioproductionresearch, researchcerevisiae, cerevisiaeconstructed, constructedmetabolic, metabolicyeast, yeastgene, genederived, derivedplants
Omics studies elucidate an increase in bio-production efficiency
2017|Bruker|Aplikace
Omics studies elucidate an increase in bio-production efficiency High performance proteomics and metabolomics studies using the impact II Q-TOF provide insight into how rational strain design increased bio-production efficiency. This application note describes a combination of metabolomic and proteomic studies…
Klíčová slova
arginine, arginineargb, argbargj, argjargr, argrglutamate, glutamateproteomics, proteomicsmutant, mutantmetabolomics, metabolomicsargg, arggdebottlenecking, debottleneckingfeedback, feedbackarggh, argghargh, arghpathway, pathwayoverexpression
Analysis of metabolic changes in murine hair follicles treated with Procyanidin-B2 rich nutraceuticals by DI-MRMS
2019|Bruker|Aplikace
Analysis of metabolic changes in murine hair follicles treated with Procyanidin-B2 rich nutraceuticals by DI-MRMS Known for anti-inflammatory and antioxidant properties, nutraceuticals enriched in Procyanidin-B2 promote hair growth both in vitro and in vivo. However, the metabolic changes associated with…
Klíčová slova
aae, aaehair, hairfollicles, folliclesmrms, mrmsintracellular, intracellularglutamine, glutaminewere, werecarnitine, carnitinefollicle, follicledeoxy, deoxymice, micenutraceuticals, nutraceuticalsppp, pppmetabolites, metabolitesmetabolite