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    代謝組學研究中常用的技術分析

      一、代謝組學分析流程。

      一般情況下,代謝組組分的分析過程是:先對代謝組分進行預處理,預處理方法由測定分析確定,如采用質譜分析,則需先分離分離,再離子化。然后對預處理后的成分進行了定性和定量分析。

      在預處理方面,常用的分離方法有:氣相色譜(Gaschromatography,GC)、Highperformanceliquidchromatography,HPLC)。GC雖然分辨率高,但需氣化代謝組分,且組分分子質量受到一定限制。HPLC也被廣泛應用于代謝組分析,因為HPLC將代謝組分從液相中分離出來,因此不必對組分進行氣化,相比氣相色譜測量范圍更廣、靈敏度更高。另外,毛細管電泳法(Capillaryelectrophoresis)也能分離代謝組分,雖然在理論上比高效液相色譜法更有效。

      前處理過程中,經常會加入內參(internalstandards),以便后續監測和對比樣品的質量,因實驗批次、樣品順序的不同,對后續測量也會產生一定影響,因此,也會加入空對照和混合樣品對照來進行質量監控。

      定性和定量分析不同代謝組分的方法包括質譜分析(Massspectrometry,MS)和NuclearMagneticResonanceImaging,NMR等。其中,質譜分析法因其靈敏度高、特異性強而被廣泛用于代謝組分的檢測,并能對經分離、離子化處理后的代謝組分進行定性、定量分析。離子化的方法包括:大氣壓化學電離(Atmospheric-pressurechemicalionionization,EI)和電噴霧電離(Electrosprayionization,EI),以及電噴霧電離(ESI)等,需要根據不同的分離方法來選擇。如電噴霧化離子化,常用于用液相色譜分離成分。但是,質譜不能直接用于生物溶液或組織檢測,因此其應用一直受到限制。

      為提高原質譜分析方法的可信度,簡化樣品制備,減少背景影響,出現了一些新的質譜相關技術。其中包括:二次離子質譜(Secondary-ionmassspy-ionmetry,SIMS)和納米結構引發器質譜(Nanoyucty-InitiatorMS,NIMS),它們都屬于非吸附/離子化方法,兩者都不依賴于原子原子化。SIMS利用高能離子束使樣品在接觸表面解吸,具有高空間分辨率的優點,是一種應用于組織/組織造影的強有力技術。利用NIMS可以檢測出小分子。激光輔助脫附電離技術(Lix-assistedlaserdesorption/ionization,MALI)是一種較溫和的離子化方法,它可以獲得一些完整的大分子質譜信息,如DNA、蛋白質、多肽和糖等,這些信息通過常規離子化方法很容易分解為碎片。

    代謝組學研究中常用的技術分析

      分析電噴霧離子化(Desorphelsrosprayionization,DESI)是一種直接離子化技術,可直接用質譜后的樣品在大氣條件下進行分析。該方法以快速移動的溶液流從接觸表面提取樣品,可用于取證分析、藥物、植物、生物組織、高分子等的分析。激光性電蝕電離技術(LAESI)是一種直接電離技術,它結合了中紅外線激光電離和二次電噴霧電離技術,可廣泛應用于植物、組織、細胞,甚至血液、尿液等未經處理的生物溶液。已經應用于食品管理,藥品管理和其他領域。不需要事先分離代謝組分,而核-質譜相較于質譜,具有結果重復性好、樣品制備簡單、無需事先分離、對樣品破壞性小等優點,而且雖然核-質譜相較于質譜相較于質譜有較大的爭議,部分學者認為這是樣品預處理過程錯誤所致,但是由于其使用方便,應用也很廣泛。

      此外,還有其它的檢測方法:離子遷移率光譜(Ion-mobilitysploometry,IMS),這是一種以離子化分子在氣相載體上的遷移為基礎的技術,用于分離和分析這些分子,這種技術非常高,可以單獨使用,也可用于質譜、氣相色譜或液相色譜法。電化學檢測器的高效液相色譜法(HPLC-ECD),可用于對復雜電子元器件中的低含量進行測量,該方法易用,具有高靈敏度,高選擇性,高靈敏度,可廣泛應用于臨床研究,食品檢驗,藥品檢驗等領域。以振動光譜法為基礎的拉曼光譜(Ramanspsroscopy),可以探測化合物的結構及其微小變化,具有樣品不受破壞,樣品預處理簡單,空間分辨率高等優點,已在臨床病理學研究,微生物分類與檢測,化合物分析等方面得到廣泛應用。

      二、代謝組學相關數據庫(常用軟件)

      與代謝組學相關的常見數據庫有人類代謝組數據庫(HumanMetabolomeDatabase,HMDB)、KEGG數據庫、Reactome數據庫(http://www.reactome.org)等,一一介紹如下:人類代謝組數據庫(HMDB)是代謝組學的熱門數據庫之一,包含人體內發現的小分子代謝物的詳細信息,包括不少于79,650種代謝物條目。SMPDB數據庫與HMDB相關,包含了大約700種人類代謝和疾病途徑的圖譜。KEGG數據庫是熱門的代謝組庫之一,包含了代謝途徑和網絡信息的互作。Reactome數據庫主要收集人體主要代謝途徑的信息和重要反應。MassBank數據庫主要收集多個高分辨率低代謝組分的譜圖。

      BioCyc數據庫包含途徑和基因組數據。METLIN數據庫,是商業的代謝組群和串聯質譜數據庫,包含大約43000種代謝物和22000個MS/MS譜圖。FiehnLib數據庫是商業的代謝組庫,包含大約1000個保守代謝分子的EI譜。

      NIST/EPA/NIHMassSpectralLibrary數據庫也是商業的代謝組數據庫,其中有190,000多個EI譜圖。BioCyc數據庫收集途徑和基因組數據,可免費使用。MetaCyc數據庫廣泛收集了多種代謝途徑和酶方面的信息,已收錄了51000多篇文獻。MMCD數據庫收集了10000多種代謝物的信息,包括它們的質譜和核磁共振譜數據,大部分是擬南芥的代謝產物。

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