Understanding synthetic biology using the Q Exactive GC Orbitrap GC-MS/MS system and high-resolution, accuratemass metabolomics library for untargeted metabolomics
Aplikace | 2018 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
Poptávka po produkci speciálních chemických látek v farmaceutickém, zemědělském a výrobním průmyslu roste, a s tím se zvyšují nároky na udržitelné, šetrné a regulacemi řízené procesy. Syntetická biologie nabízí rámec design-build-test pro přetváření bakteriálních buněk na bio-faktory schopné efektivní výroby komplexních sloučenin.
Cílem studie bylo aplikovat netargetovanou metabolomiku pomocí Q Exactive GC Orbitrap GC-MS/MS k posouzení vlivu typu a koncentrace induktoru IPTG na metabolický profil E. coli DH5α nesoucí plasmid pro expresi červeného fluorescenčního proteinu (RFP) při různých kultivačních podmínkách.
Netargetovaná GC-MS/MS s vysokým rozlišením a přesnou hmotností umožňuje komplexní profilování malých metabolitů ve složitých vzorcích. Workflow s pravidelnými QC kontrolami a robustními knihovnami zajišťuje spolehlivost a opakovatelnost při optimalizaci bioprodukčních procesů.
Studie prokázala, že netargetovaná HRAM GC-MS/MS metabolomika efektivně odhalí dopady inducibilních genetických systémů na bakteriální metabolismus. Identifikované změny poskytují cenné poznatky pro navrhování efektivnějších produkčních kmenů a optimalizaci induktorových protokolů.
GC/MSD, GC/MS/MS, GC/HRMS, GC/Orbitrap
ZaměřeníMetabolomika, Klinická analýza
VýrobceThermo Fisher Scientific
Souhrn
Význam tématu
Poptávka po produkci speciálních chemických látek v farmaceutickém, zemědělském a výrobním průmyslu roste, a s tím se zvyšují nároky na udržitelné, šetrné a regulacemi řízené procesy. Syntetická biologie nabízí rámec design-build-test pro přetváření bakteriálních buněk na bio-faktory schopné efektivní výroby komplexních sloučenin.
Cíle a přehled studie
Cílem studie bylo aplikovat netargetovanou metabolomiku pomocí Q Exactive GC Orbitrap GC-MS/MS k posouzení vlivu typu a koncentrace induktoru IPTG na metabolický profil E. coli DH5α nesoucí plasmid pro expresi červeného fluorescenčního proteinu (RFP) při různých kultivačních podmínkách.
Použitá metodika a instrumentace
- Modelový systém: E. coli DH5α s plasmidem pBbA1a-RFP indukovaný IPTG (25, 50, 100 µM).
- Kultivace: růst na médiích LB a TB, zastavení reakcí metanolem, centrifugace, filtrace.
- Derivatizace: metoximace (metoxyamin v pyridinu) a silylace (MSTFA + 1 % TMCS).
Použitá instrumentace
- Q Exactive GC Orbitrap GC-MS/MS: EI, Full-scan, m/z 50–550, 60 000 FWHM při m/z 200, přesnost < 2 ppm.
- Gas chromatografie: Thermo TRACE 1310 GC, kolona TraceGOLD TG-5SilMS (30 m × 0,25 mm × 0,25 µm).
- Autosampler: Thermo TriPlus RSH, injekce splitless (280 °C), helium nosné plyn 1,2 mL/min.
- Software: Compound Discoverer pro alignments, PCA a statistiku; TraceFinder pro HRAM knihovnu (900+ standardů) a NIST2017.
Hlavní výsledky a diskuse
- PCA oddělila vzorky podle média (LB vs TB) a indukce (IPTG vs kontrola), čímž demonstrovala vliv promotoru na exo-metabolom.
- ANOVA a Volcano plot identifikovaly 212 významných iontů, z nichž 39 bylo potvrzeno HRAM knihovnou.
- Snížení hladin sacharidů (trehalóza, sorbóza, glukóza, manóza) a aminokyselin (serin, arginin, prolin, tyrosin) po indukci odráží zvýšené nároky na energii a stavební bloky pro syntézu RFP.
- Metabolické změny v TCA cyklu (pokles sukcinátu, akumulace fumarátu a 3-hydroxybutyrátu) naznačují potenciální hrdla a alternativní trasy, například GABA shunt.
- Zvýšená exprese putrescinu svědčí o recyklaci aminokyselin z proteinů jako energeticky úsporné strategii.
Přínosy a praktické využití metody
Netargetovaná GC-MS/MS s vysokým rozlišením a přesnou hmotností umožňuje komplexní profilování malých metabolitů ve složitých vzorcích. Workflow s pravidelnými QC kontrolami a robustními knihovnami zajišťuje spolehlivost a opakovatelnost při optimalizaci bioprodukčních procesů.
Budoucí trendy a možnosti využití
- Optimalizace indukčních podmínek a snižování spotřeby IPTG z hlediska nákladů a ekologického dopadu.
- Integrace multi-omics přístupů a strojového učení pro prediktivní modelování metabolických cest.
- On-line monitorování fermentačních procesů a vysokopropustné screeningy nových promotorů.
Závěr
Studie prokázala, že netargetovaná HRAM GC-MS/MS metabolomika efektivně odhalí dopady inducibilních genetických systémů na bakteriální metabolismus. Identifikované změny poskytují cenné poznatky pro navrhování efektivnějších produkčních kmenů a optimalizaci induktorových protokolů.
Reference
- Carbonell P. et al. SYNBIOCHEM–a SynBio foundry for the biosynthesis and sustainable production of fine and speciality chemicals. Biochemical Society Transactions 2016;44(3):675–677.
- Toogood HS. et al. Enzymatic Menthol Production: One-Pot Approach Using Engineered Escherichia coli. ACS Synthetic Biology 2015;4(10):1112–1123.
- Muhamadali H. et al. Metabolomics investigation of recombinant mTNFα production in Streptomyces lividans. Microbial Cell Factories 2015;14:157.
- Sumner LW. et al. Proposed minimum reporting standards for chemical analysis. Metabolomics 2007;3(3):211–221.
- Thermo Fisher Scientific. Application Note 10532, 2016.
- Carneiro S. et al. Metabolic footprint analysis of recombinant Escherichia coli strains during fed-batch fermentations. Molecular Biosystems 2011;7(3):899–910.
- Muhamadali H. et al. Metabolomic analysis of riboswitch containing E. coli recombinant expression system. Molecular BioSystems 2016;12(2):350–361.
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Understanding Synthetic Biology using the Q Exactive GC Orbitrap GC-MS and a High Resolution Accurate Mass Metabolomics Library for Untargeted Metabolomics
2018|Thermo Fisher Scientific|Postery
Understanding Synthetic Biology using the Q Exactive GC Orbitrap GC-MS and a High Resolution Accurate Mass Metabolomics Library for Untargeted Metabolomics Cristian Cojocariu1, Maria Vinaxia2, Mark Dunstan2, Adrian J. Jervis2, Paul Silcock1 and Nicholas J. W. Rattray2 Fisher Scientific, Runcorn,…
Klíčová slova
metabolomics, metabolomicsinducer, inducerhram, hramorbitrap, orbitrapcontributed, contributeddiscoverer, discovererlibrary, libraryuntargeted, untargetediptg, iptgexactive, exactivemetabolic, metaboliccompound, compoundscientific, scientificmetabolites, metabolitesusing
Application of GC Orbitrap mass spectrometry for untargeted metabolomics of pathogenic microorganisms
2016|Thermo Fisher Scientific|Aplikace
APPLICATION NOTE Authors: Cristian Cojocariu,1 Stefan Weidt,2 Jeni Haggarty,2 Paul Silcock1 and Karl Burgess2 Thermo Fisher Scientific, Runcorn, UK; 2Glasgow Polyomics, 1 University of Glasgow, Glasgow, UK Keywords: Metabolomics, Q Exactive GC, Pathogenic bacteria, Biofilms, Staphylococcus aureus, Candida albicans Introduction…
Klíčová slova
media, mediapathogenic, pathogenictracefinder, tracefindermetabolites, metabolitesalbicans, albicansculture, culturecandida, candidadiscoverer, discoverersamples, samplesaureus, aureusstaphylococcus, staphylococcuswere, wereused, usedexactive, exactivescore
Application of GC Orbitrap mass spectrometry for untargeted metabolomics of pathogenic microorganisms
2016|Thermo Fisher Scientific|Aplikace
APPLICATION NOTE Authors: Cristian Cojocariu,1 Stefan Weidt,2 Jeni Haggarty,2 Paul Silcock1 and Karl Burgess2 Thermo Fisher Scientific, Runcorn, UK; 2Glasgow Polyomics, 1 University of Glasgow, Glasgow, UK Keywords: Metabolomics, Q Exactive GC, Pathogenic bacteria, Biofilms, Staphylococcus aureus, Candida albicans Introduction…
Klíčová slova
media, mediapathogenic, pathogenictracefinder, tracefindermetabolites, metabolitesalbicans, albicansculture, culturecandida, candidadiscoverer, discoverersamples, samplesaureus, aureusstaphylococcus, staphylococcuswere, wereused, usedexactive, exactivescore
Thermo Scientific Orbitrap Exploris GC 240 mass spectrometer
2021|Thermo Fisher Scientific|Brožury a specifikace
Lead discovery Delivering broader and deeper insights Orbitrap Exploris GC 240 mass spectrometer Lead discovery with breakthrough performance Take research capability to a new, unprecedented level of performance with the Thermo Scientific™ Orbitrap Exploris™ GC 240 mass spectrometer and accelerate…
Klíčová slova
connect, connectinstant, instantmass, masshram, hramrelative, relativethermo, thermodata, datasoftware, softwarescientific, scientificbenzo, benzoorbitrap, orbitrapmetabolomics, metabolomicsabundance, abundancediscoverer, discoverercertainty