A Multiomics Approach Using Metabolomics and Lipidomics

Význam tématu

Uplatnění mikroorganismů v průmyslové biotechnologii vyžaduje detailní pochopení buněčného metabolismu. Sledování primárních metabolitů a lipidových složek umožňuje optimalizovat výrobu látek s vysokou přidanou hodnotou, například antioxidantů jako ergothionein.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl porovnat metabolické změny v kultivacích Escherichia coli při použití odlišných zdrojů síry thiosíran versus síran. Kombinací metabolomiky a lipidomiky se hodnotí vliv síry na syntézu cysteinu, ergothioneinu a membránových fosfolipidů v čase růstu.

Použitá metodika

Ke kultivaci bylo použito minimální médium s přídavkem 50 mM thiosíranu nebo 100 mM síranu. Odebrané vzorky byly sbírány v časech 0, 24, 48, 72, 96, 120, 168 a 216 hodin. Po úpravě buněčné suspenze na OD 2 a oplachu vodou byly extrahovány hydrofilní metabolity a fosfolipidy metodou Bligh Dyer. Extrakty byly vysušené a rekonstituované pro analýzu LC MS MS.

Použitá instrumentace

• Hmotnostní spektrometr LCMS 8060
• Kapalinový chromatograf s PFPP kolonou 2.1 × 150 mm 3 μm pro primární metabolity
• Kapalinový chromatograf s C8 kolonou 2.1 × 150 mm 2.6 μm pro analýzu fosfolipidů
• Mobilní fáze A 0.1 % kyselina mravenčí ve vodě pro metabolity a 20 mM ammoniumformiát ve vodě pro lipidy
• Mobilní fáze B 0.1 % kyselina mravenčí v acetonitrilu pro metabolity a 50 % acetonitril / 50 % 2-propanol pro lipidy
• Průtok 0.25 až 0.3 ml/min, lineární a zakřivený gradient, teplota kolony 40 až 45 °C
• Objem injekce 3 µl

Hlavní výsledky a diskuse

Bylo detekováno 49 primárních metabolitů a 56 lipidových složek. Při kultivaci s thiosíránem se výrazně zvýšily meziprodukty syntézy cysteinu a samotný cystein po přechodu do stacionární fáze (po 72 hodinách). Lipidomické rozbory ukázaly zvýšení fosfatidyletanolaminu a fosfatidylserinu, přičemž fosfatidyletanolamin byly syntetizovány dříve než fosfatidylserin. Kombinace dat poskytla komplexní přehled o vlivu zdroje síry na metabolický tok a membránovou lipidomiku.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a cílená MRM analýza umožňuje sledovat desítky látek v jednom běhu
• Integrovaný pohled na metabolity a lipidy vede k lepší optimalizaci fermentačních procesů
• Metoda je vhodná pro QA/QC v biotechnologických provozech a vývoj nových kmenů

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření spektra sledovaných látek pomocí dalších omických technik
• Integrace tokové analýzy pro kvantitativní modelování metabolických drah
• Implementace strojového učení pro predikci optimálních podmínek kultivace
• Škálování metody do průmyslových bioreaktorů a automatizace vzorkování

Závěr

Multiómický přístup spojující metabolomiku a lipidomiku s použitím LC MS MS se ukázal jako efektivní nástroj pro monitorování vlivu zdroje síry na produkci ergothioneinu a souvisejících metabolitů v Escherichia coli. Výsledky přispívají k optimalizaci bioprodukčních procesů a otevírají cestu k dalším aplikacím v biotechnologii.

Reference

• Nakanishi T Application Note C157 Shimadzu Corporation First Edition Jun 2017