Metabolomic Profiling of Corn and Rice Extracts Using a Benchtop GC-TOFMS

Význam tématu

Metabolomické profilování kukuřice a rýže představuje klíčový přístup k pochopení fyziologických vlastností, odolnosti vůči stresu a kvalitativních znaků plodin. Analýza malých molekul zajišťuje informace o nutričním složení, chuti, vůni či skladovatelnosti a napomáhá šlechtitelským i průmyslovým aplikacím.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na vyhodnocení nového benchtopového GC-TOFMS (Pegasus BT, LECO) pro rychlé a citlivé sledování širokého spektra metabolitů v extraktech kukuřice a rýže. Cílem bylo optimalizovat parametry pro vysokou propustnost vzorků a kvalitní spektrální data, která by usnadnila automatizovanou anotaci.

Použitá metodika a instrumentace

Extrahování: směs methanol/voda (4:1) byla aplikována na lyofilizovaný rostlinný materiál, následovalo zahřátí, centrifugace a přídavek ribitolu jako interního standardu. Sušení proběhlo ve Speed Vac při 60 °C.
Derivatisace: sušené vzorky reagovaly s MSTFA (100 µl) při 60 °C po dobu 1 hodiny.
GC-TOFMS parametry:

• Agilent 7890 GC s GERSTEL MPS2 autosamplerem
• Injekce 1 µl, split 20:1 při 270 °C
• Kolona Rxi-5ms (20 m × 0,18 mm × 0,18 µm)
• Oven program: 60 °C (0,5 min) → 320 °C @ 36 °C/min (3 min)
• Nosný plyn He při 0,80 ml/min
• Přenosová linie 300 °C, iontové zdroje 250 °C, m/z 45–600, 20 spekter/s
• Software ChromaTOF 5.0 pro dekonvoluci, vyhledávání spekter, řízení RI

Hlavní výsledky a diskuse

Pegasus BT prokázal vynikající citlivost na úrovni ppt a lineární rozsah až 10⁵. Kalibrační křivky aminokyselin (metionin, fenylalanin, asparagová kyselina, lyzin, leucin, isoleucin) vykázaly koeficienty korelace až 0,999 v rozmezí 0,01–50 pMol/µl. Automatizovaná identifikace využívající dekonvoluční algoritmy, knihovny NIST/Wiley a retenční indexy umožnila rozpoznat 42 reprezentativních metabolitů v extraktu kukuřice (aminokyseliny, organické kyseliny, sacharidy, terpeny, steroly) s průměrným skóre spektrální podobnosti kolem 870/1000. Významné příklady (E)-akonitové a palmitové kyseliny dosahovaly skóre nad 900/1000.

Přínosy a praktické využití metody

Benchtopové uspořádání přináší rychlou analýzu (cca 10 min na vzorek), vysokou robustnost a možnost jak nespecifického profilování, tak cíleného vyhledávání (Target Analyte Finding) stopových látek. Metoda nachází uplatnění v zemědělském výzkumu, kontrole kvality potravin i biotechnologických aplikacích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace softwaru s pokročilou strojovou analýzou a strojovým učením pro rychlejší interpretaci velkých datasetů
• Reálné časové monitorování metabolických změn v rostlinách při stresových podmínkách
• Rozšíření metod na další plodiny a biologické vzorky v agrobiotechnologii
• Vývoj nových derivatisačních postupů pro netradiční metabolity

Závěr

GC-TOFMS Pegasus BT ve spojení se softwarem ChromaTOF 5.0 poskytuje citlivou, rychlou a spolehlivou platformu pro komplexní metabolomická profilování. Umožňuje jak detailní nekvalitativní průzkum, tak cílené kvantitativní analýzy, čímž podporuje šlechtění plodin, zlepšování kvality potravin a další průmyslové aplikace.

Reference

1. Chen M., Rao R.S.P., Zhang Y., Zhong C., Thelen J.J. The Crop Journal, 2016, 4, 177–187
2. Kusano M., Yang Z., Okazaki Y., Nakabayashi R., Fukushima A., Saito K. Molecular Plant, 2015, 8, 58–67
3. Okazaki Y., Saito K. Plant Biotechnology Reports, 2012, 6, 1–15
4. Simo C., Ibanez C., Valdes A., Cifuentes A., Garcia-Canas V. International Journal of Molecular Sciences, 2014, 15, 18941–18966
5. Astarita G., Langridge J. Journal of Nutrigenetics and Nutrigenomics, 2013, 6, 181–200
6. Allwood J.W., Erban A., De Koning S., Dunn W.B., et al. Metabolomics, 2009, 5, 479–496