Neue Metabolom-Plattform enthüllt grundlegende Mängel in der gängigen Labortechnologie | 2020

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Anonim

"Wir haben festgestellt, dass selbst relativ niedrige Temperaturen bei der GC-MS die Analyse kleiner Moleküle beeinträchtigen können", sagte der leitende Autor der Studie, Gary Siuzdak, Senior Director des Scripps Center for Metabolomics von TSRI und Professor für Chemie, Molekular- und Computerbiologie.

Mithilfe der neuen Funktionen von XCMS, einer Datenanalyseplattform, die im Siuzdak-Labor entwickelt wurde, beobachteten die Forscher kleine Moleküle, die sich während eines Experiments, das den GC-MS-Prozess imitieren soll, transformierten und sogar verschwanden, wodurch die Art der Daten in Frage gestellt wurde erzeugt durch GC-MS.

Die Studie wurde vor dem Druck am 4. Oktober in der Zeitschrift online veröffentlicht Analytische Chemie .

Ein genauerer Blick auf GC-MS

Seit mehr als 50 Jahren verwenden Chemiker und Biologen GC-MS, um Konzentrationen kleiner Moleküle zu identifizieren und zu messen. Wenn eine Probe in ein GC-MS-System injiziert wird, wird sie erhitzt und verdampft. Der Dampf wandert durch eine Gaschromatographiesäule und die Moleküle trennen sich, so dass das Massenspektrometer die einzelnen Moleküle in der Probe messen kann. Heute wird GC-MS in Tausenden von Laboratorien für Aufgaben wie chemische Analyse, Krankheitsdiagnose, Umweltüberwachung und sogar forensische Untersuchungen eingesetzt.

Die neuen Experimente wurden initiiert, als Siuzdak einen kurzen Kurs für Studenten des jährlichen Treffens der American Society for Mass Spectrometry vorbereitete. Es stellte sich die Frage, wie sich die Hitze des GC-MS-Verdampfungsprozesses auf die Ergebnisse auswirken könnte. Daher führten Siuzdak und TSRI-Forschungsmitarbeiter Mingliang Fang eine Reihe von Experimenten durch, um zu vergleichen, wie kleine Moleküle auf Wärmebelastung reagierten.

Zu ihrer Überraschung wurden die Molekülprofile von bis zu 40 Prozent der Moleküle geändert, was darauf hindeutet, dass die Hitze des GC-MS-Prozesses die chemische Zusammensetzung der Proben dramatisch verändern könnte.

"Die Ergebnisse waren ziemlich erstaunlich - da dies eine Technologie ist, die seit Jahrzehnten verwendet wird", sagte Siuzdak.

Das Ergebnis veranlasste die Forscher, genauer zu untersuchen, wie Moleküle während der GC-MS abgebaut und transformiert werden.

Wärme wandelt Moleküle um

Die Wissenschaftler analysierten auf 60, 100 und 250 Grad Celsius erhitzte niedermolekulare Metaboliten, um die Probenvorbereitung und die Analysebedingungen nachzuahmen. Das Team verwendete XCMS in Kombination mit einer Niedrigtemperatur-Flüssigchromatographie-Massenspektrometrietechnologie, von der zuvor gezeigt wurde, dass sie Moleküle nicht thermisch abbaut, um das Ausmaß der thermischen Effekte zu bestimmen.

Die Forscher beobachteten einen signifikanten Abbau auch bei niedrigeren Temperaturen. Bei den höheren Temperaturen wurde fast die Hälfte der Moleküle abgebaut oder vollständig umgewandelt.

"Im Nachhinein gab es wenig zu wundern: Hitze baut Moleküle ab", sagte Siuzdak. "Allerdings haben wir das Ausmaß der thermischen Degradation einfach als selbstverständlich angesehen. Obwohl dies ein negatives Ergebnis ist und Wissenschaftler sie selten veröffentlichen, fühlte ich mich gezwungen, besonders für die Studenten, die gerade erst ihre Karriere begonnen hatten, über die Grenzen einer solchen allgegenwärtigen Technologie zu berichten. "

Die Forscher stellten fest, dass auch Moleküle, die normalerweise bei GC-MS nicht beobachtet werden, transformiert werden können. Beispielsweise wurde der Energiemetabolit Adenosintriphosphat (ATP) leicht in Adenosinmonophosphat (AMP) umgewandelt. Diese Transformation ist für die medizinische Forschung relevant, da Wissenschaftler häufig mithilfe eines Erwärmungsprozesses das Verhältnis von ATP zu AMP in Zellen untersuchen, um die Funktion von Zellkomponenten bei Alterung und Krankheit abzuschätzen.

"Menschen verwenden dieses Verhältnis, um Krankheiten zu erkennen, aber wenn das Verhältnis durch den Erhitzungsprozess geändert werden kann, sind die Ergebnisse nicht genau", sagte Fang. "Es ist bekannt, dass ATP thermisch empfindlich ist, aber nicht, wie es sich unter diesen Bedingungen verändert hat."

Der thermische Abbau könnte auch erklären, warum viele Wissenschaftler in der Vergangenheit viele unbekannte molekulare "Peaks" entdeckt haben. Basierend auf der neuen Studie glauben die Forscher nun, dass diese Metaboliten Nebenprodukte des Erhitzungsprozesses sein könnten - das Ergebnis von Reaktionen zwischen Metaboliten, während diese abgebaut werden.

Der nächste Schritt

Warum hatten Wissenschaftler den Effekt des Heizens bis jetzt nicht herausgefunden? Siuzdak erklärte, dass zwar einige Wissenschaftler Veränderungen in bestimmten Metaboliten bemerkt hatten, es jedoch schwierig war, Veränderungen in den gesamten molekularen Profilen zu erkennen, die Tausende von Molekülen enthalten.

Diese omic-basierte Studie wurde durch neue Funktionen im Rahmen des XCMS-Programms ermöglicht, das am TSRI Scripps Center for Metabolomics entwickelt wurde. XCMS ist eine kostenlose cloudbasierte Datenanalysetechnologie, mit der Massenspektrometriedaten auf der ganzen Welt analysiert werden.

"Mit XCMS können wir unsere Studie erweitern, um ein globales Profil der Veränderung der Metaboliten zu erhalten - nicht nur einiger weniger Verbindungen", sagte Fang.

"Glücklicherweise können diese Probleme durch die Verwendung von Standards in der GC-MS sowie durch die Verwendung neuerer Massenspektrometrietechnologien bei Umgebungstemperatur überwunden werden, und dieser Bericht wird wahrscheinlich mehr Wissenschaftler dazu anregen, sich diesen weniger destruktiven Alternativen zuzuwenden", sagte Siuzdak.