Metabolic Pathway Analysis Solutions

Význam tématu

Analýza metabolických drah umožňuje komplexní pochopení biochemických procesů probíhajících v buňkách živých organismů. Díky mapování změn koncentrací metabolitů a jejich interakcí lze identifikovat klíčové kroky v energetickém metabolismu, syntéze biomolekul nebo adaptacích na vnější podmínky. V praxi tato data podporují výzkum účinků genetických modifikací, optimalizaci bioprocesů, vývoj léčiv a diagnostiku onemocnění.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem předloženého textu je představit ucelené řešení pro analýzu metabolických drah, zahrnující vystižení hlavních přístupů: od cíleného měření metabolitů pomocí LC-MS/MS a GC-MS, přes sledování elementárních toků metabolitů pomocí značeného ^13C substrátu až po pokročilou podporu neřízeného (untargeted) metabolomického přístupu s využitím databáze přesných přesných hmotností.

Použitá metodika a instrumentace

Pro cílenou a široce cílenou analýzu metabolitů byly využity následující přístroje a softwarové balíčky:

• Triple kvadrupólové LC-MS/MS systémy (LCMS-8040, LCMS-8060NX) s metodickými balíčky pro lipidová mediátory, primární metabolity a buněčné kultury.
• GC-MS/MS (GCMS-TQ8040 NX) včetně databáze Smart Metabolites Database Ver.2 pro analýzu primárních metabolitů a ^13C flux analýzu.
• Vysokorozlišovací TOF LC-MS (LCMS-9030) s Metabolite Precision Mass Database pro neřízené metabolomické studie.
• ICP-MS (ICPMS-2030) a atomová absorpční spektrometrie (AA-7000F/AAC) pro simultánní stanovení organických a anorganických složek v médiích a supernatantech.
• Software LabSolutions Insight™ a Multi-omics Analysis Package pro vizualizaci dat na mapách metabolických drah, statistické metody (PCA, volcano plot, hierarchické shlukování) a snadné slučování dat z různých platform.

Hlavní výsledky a diskuse

Studie demonstrovaly schopnost současných metod:

• Metabolická mapa pro 196 eikosanoidů v plazmě a séru, s detekcí 68 klíčových lipidových mediátorů během 20 minut analýzy.
• Rozlišení metabolických změn u divokých a mutovaných Drosophila melanogaster s výrazným posunem v ustavení sacharidových i lipidových drah.
• Etablování citlivé metody pro stanovení homocysteinu v lidské plasmě s využitím LCMS-8040.
• Integrované sledování organických a anorganických komponent v kultivačních médiích CHO buněk pro optimalizaci produkce protilátek.
• Sledování změn síry obsahujících metabolitů E. coli v médiu doplněném thiosulfátem či síranem a odhalení dynamiky cysteinové biosyntézy.
• ^13C Metabolická flux analýza u E. coli s mapováním centrálního uhlíkového metabolismu a glyoxalátového shuntu.
• Neřízené metabolomické zkoumání kultivačních médií iPS buněk s databází přesných hmotností, následným rozšířením balíčku o nové MRM přechody.

Přínosy a praktické využití metody

Implementované řešení přináší následující výhody:

• Rychlá a citlivá kvantifikace stovek metabolitů v biofluidních a buněčných vzorcích.
• Schopnost vizualizovat komplexní data na přehledných mapách drah a usnadnit interpretaci v kontextu biologických procesů.
• Integrované ovládání hardwaru a software pro jednotný pracovní tok, zkrácení doby zpracování vzorků a analýzy.
• Možnost simultánního stanovení organických i anorganických látek pro komplexní pohled na buněčné prostředí.
• Podpora vývoje bioprocesů, personalizované medicíny, QC v biotechnologiích a farmaceutickém výzkumu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další směřování oboru zahrnuje:

• Propojení s genomickými a proteomickými daty pro skutečně tonalitní multi-omics přístup.
• Využití umělé inteligence a strojového učení pro predikci metabolických stavů a optimalizaci bioprodukce.
• Vývoj prostorové metabolomiky pro sledování metabolických dějů v rámci mikroprostoru tkání.
• Reálné časové monitorování bioreaktorů a mikrofluidních systémů pro dynamické řízení procesů.
• Syntetická biologie zaměřená na přesměrování metabolických toků k produkci hodnotných chemikálií.

Závěr

Komplexní platforma umožňující cílené i neřízené metabolomické analýzy, integrující LC-MS, GC-MS, ICP-MS, AAS a pokročilý software, představuje ucelené řešení pro výzkum i průmyslovou analytiku. Umožňuje rychlou identifikaci klíčových biochemických změn a efektivní optimalizaci biotechnologických procesů.

Reference

• Shimadzu Corporation. Metabolic Pathway Analysis Solutions. Application Note C10G-E103, 2024.