Метаболомика
Метаболо́мика, раздел молекулярной биологии; главные направления исследований связаны с идентификацией и количественным анализом метаболома – совокупности всех низкомолекулярных веществ, в данный момент времени принимающих участие в химических реакциях в клетке, органе или организме в целом, за исключением биополимеров (белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот).
Этимология термина
Термин «метаболомика» происходит от слова «метаболом», источником которого является термин «метаболит» (от греч. μεταβολή – изменение), модифицированный по аналогии с терминами «геном», «протеом» и «транскриптом» суффиксом -ом (-om), обозначающим всю совокупность данных одного типа.
Суффикс -омик (-omics) предложил Т. Родерик в 1986 г. Он придумал слово «геномика» (genomics) для названия журнала, посвящённого сравнению и изучению геномов. Впоследствии этот суффикс стали использовать для различных объединяющих дисциплин: геномика, транскриптомика, протеомика, интерактомика и др. (Yadav. 2007).
Первоначально для описания метаболомики использовалось два термина: «метаболомика» и «метабономика». Под метабономикой понималось количественное измерение динамического метаболического ответа живых систем на патофизиологическую стимуляцию или генетические модификации. Суффикс -номика в этом термине взят от греческого nomos, означающего набор правил или законов. Под термином «метаболомика» понималось систематическое исследование уникальных метаболических профилей (химических «отпечатков пальцев»), характеризующих процессы жизнедеятельности клетки. Со временем граница между употреблением этих терминов стёрлась, и в настоящее время термин «метаболомика» употребляется для обозначения обоих направлений (Подгорский. 2009).
История развития
По мнению некоторых учёных (Nagana Gowda. 2019), возникновение метаболомики можно отнести к 4-му тыс. до н. э.: до наших дней дошли шумерские и вавилонские глиняные таблички этого времени с описанием анализа мочи.
Достижения древнеиндийской медицины собраны в «Аюрведе» («Науке о жизни»), которая включает в себя серию трактатов по диагностике и лечению заболеваний на основании анализа различных параметров мочи (цвет, вкус, текстура, температура и наличие осадка). Например, признак диабета – сладкий вкус мочи, привлекающий насекомых и животных (Guthrie. 1978).
Ульрих Пиндер. Мочевая диаграмма.
Из сочинения: Pinder U. Epiphaniae medicorum. Speculum videndi urinas hominum. Nürnberg, 1506.В Средние века использовались мочевые колёса (мочевые диаграммы), которые позволяли установить связь цвета, вкуса и запаха мочи с различными медицинскими состояниями, отражающими нарушения метаболизма (Подгорский, 2019).
Формирование современной метаболомики началось в 1950-х гг. с работ Р. Уильямса по сравнению более 200 тыс. хроматограмм. Учёный предложил использовать метаболические паттерны на бумажных хроматограммах в качестве «отпечатка пальца» биологического образца (Williams, 1951).
Следующим шагом в развитии метаболомики стала разработка методов газо-жидкостной (Quantitative analysis of urine vapor and breath by gas-liquid partition chromatography. 1971) и газовой (Gates. 1978) хроматографии, которые в сочетании с методами масс-спектрометрической детекции позволили получать метаболические профили большого количества соединений. Сам термин «метаболический профиль» ввёл Э. Хорнинг в 1971 г., изучавший состав мочи с помощью хроматографии и масс-спектрометрии (Novotny. 2008).
Анализировать биологические образцы с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в рамках исследования метаболизма человека начали в середине 1970-х гг. Дж. Ч. Радда в Оксфорде и Р. Г. Шульман в Йельском университете (Becker. 1993).
Объекты изучения
При изучении метаболомов людей и животных объектами исследования являются биологические жидкости (моча, сыворотка или плазма крови, спинномозговая жидкость и слюна) и метаболиты, выделенные из различных тканей (биопсии опухолей, органов, клеточные линии) и субстанций (метаболиты фекалий).
По сравнению с млекопитающими у растений метаболом более разнообразен и менее изучен. По оценкам, в царстве растений существует более 200 000 метаболитов (Schauer. 2006).
При изучении бактериального метаболома могут рассматриваться как клеточные метаболиты, экстрагируемые из бактериальных клеток, так и состав культуральных жидкостей, содержащих метаболиты, секретируемые бактериями в ходе жизнедеятельности.
Методы метаболомики
Современные методы метаболомики классифицируют на методы разделения: газовая (ГХ), высокоэффективная жидкостная (ВЭЖХ) и сверхэффективная жидкостная (ultra performance liquid chromatography, UPLC) хроматография и капиллярный электрофорез; методы обнаружения – ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и масс-спектрометрия (МС); комбинированные – ГХ-МС и ВЭЖХ-МС (Patti. 2012).
Схема метаболомного исследования.Для анализа низкопредставленных метаболитов преимущественно используют различные варианты хроматографических методов (газовая и жидкостная хроматография) в сочетании с масс-спектрометрией. Достоинством этих методов является высокая чувствительность, недостатками – низкая воспроизводимость, сложность и дороговизна пробоподготовки. Для анализа более представленных метаболитов используют спектроскопию ЯМР. Этот метод отличают высокая воспроизводимость и простота пробоподготовки, но низкая чувствительность.
Примеры спектров, полученных с помощью технологий ¹H-ЯМР и ЖХ-МС. Из статьи: Analytical Methods In Untargeted Metabolomics: State Of the Art In 2015 // Frontiers In Bioengineering And Biotechnology. 2015. Vol. 3. Перевод: БРЭ.Результаты анализируют с помощью статистических подходов. На заключительном этапе сравнивают активацию или подавление метаболических путей, отражающих взаимосвязь метаболитов друг с другом. Изменения в метаболических путях позволяют выявить фенотипически важные биохимические изменения.
Применение метаболомики
Трёхмерное представление метаболических путей эукариотической клетки. Выполнено на основе данных из Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes.Поскольку метаболиты представляют собой наиболее информативные индикаторы биохимической активности организма (Gehlaut. 2012), методы метаболомики выходят на первый план в медицинской диагностике (тесты на генетические заболевания, метаболомный анализ питания, клинические анализы крови и мочи, определение уровня холестерина, скрининг новорождённых). Высокий потенциал имеет метаболомика in vivo. Технологии метаболической и молекулярной визуализации, такие как позитронно-эмиссионная томография и магнитно-резонансная спектроскопия, позволяют неинвазивно различать метаболические маркеры в живой системе. Методы метаболомики применяются при допинг-контроле, мониторинге диализа и приживления трансплантатов. Персонализированная медицина становится ещё одной сферой приложения метаболомики, которая позволяет учитывать особенности конкретного пациента при подборе терапевтических методов.
Методы метаболомики также применяются в фармакологии (анализ лекарств на соответствие, токсикологические, доклинические и клинические испытания лекарственных препаратов), пищевой промышленности (мониторинг ферментации, тесты продуктов питания и напитков, нутрицевтический анализ, проверка качества воды), криминалистике (фенотипирование наркотиков) и фундаментальной биологии (функциональная геномика).
Разделы метаболомики
В соответствии с анализируемыми метаболитами метаболомику можно разделить на таргетную и нетаргетную (Patti. 2012). Таргетная метаболомика отвечает на вопрос, каковы количества определённых метаболитов в образце; для идентификации метаболита применяется сравнение его сигналов со стандартами. При использовании нетаргетной метаболомики определяют глобальный метаболический профиль образца, т. е. получают информацию о максимально возможном количестве веществ в образце.
В соответствии с решаемыми задачами в метаболомике выделяют отдельные направления.
Фудомика – метаболомика пищи, т. е. изучение пищевых продуктов и режима питания с помощью высокопроизводительного омиксного подхода. В эту область включают исследования растений (съедобных или лекарственных) и изучение влияние рациона на функционирование организма (нутрициология).
Флуксомика – анализ метаболических потоков, направленный на определение скорости метаболических реакций внутри организма, т. е. изучение метаболомики в динамике. Для этого наиболее популярны два подхода. Первый – анализ баланса потоков (flux balance analysis, FBA) – основан на решении кинетических уравнений. При использовании второго – 13C-флуксомики – в рацион вводят соединения, меченные изотопом углерода 13С, и наблюдают за их превращениями (Winter. 2013).
Липидомика – изучение жирорастворимых низкомолекулярных веществ масс‑спектрометрическими методами, поскольку липидный состав организма (липидом) достаточно точно характеризует состояние организма. По некоторым оценкам, липидом животных составляет от 10 000 до 100 000 отдельных химических соединений (Wenk. 2010).
Метаболомика единичных клеток (single cell metabolomics) – определение метаболических профилей отдельных клеток. В настоящее время для этого используются два подхода. Первый основан на лизисе отдельных клеток и анализе экстрагированных из них метаболитов с помощью хроматографии и масс-спектрометрии. Для повышения производительности лизис клеток иногда проводят на чипе, а для разделения метаболитов применяют капиллярный электрофорез (Svatos. 2011). При втором подходе содержимое клеток анализируют с помощью ионных пучков или лазеров, быстро обнаруживая ионы без разделения. Отбор проб на больших площадях позволяет получать 2D- или 3D-метаболомные карты. (Svatos. 2011).
Научные центры
Крупнейшими научными центрами являются Northwest Metabolomics Research Center (Вашингтонский университет, Сиэтл, штат Вашингтон, США); Center for Metabolomics (научный центр Scripps Research, Сан-Диего, штат Калифорния, США); West Coast Metabolomics Center (Калифорнийский университет, Окленд, штат Калифорния, США); Лаборатория протеомики и метаболомики [Международный томографический центр Сибирского отделения Российской академии наук (ИТЦ СО РАН) (Новосибирск)]; Лаборатория масс-спектрометрической метаболомной диагностики Научно-исследовательского института биомедицинской химии имени В. Н. Ореховича (ИБМХ) (Москва).
Периодические издания
Ведущие научные журналы в области метаболомики: Metabolomics, Current Metabolomics, Journal of Metabolomics, Frontiers in Metabolomics (раздел в журнале Metabolites), Journal of Metabolomics and Systems Biology, Journal of Integrated OMICS, OMICS: A Journal of Integrative Biology, Nature Metabolism.
Базы данных
Human Metabolome Database (HMDB) – база данных метаболитов человека, включая подразделы The Human Urine Metabolome (база данных метаболитов мочи), The Human Serum Metabolome (база данных метаболитов плазмы крови), The Human Cerebrospinal Fluid Metabolome (база данных по метаболитам спинномозговой жидкости), The Human Saliva Metabolome (база данных метаболитов слюны), The Human Fecal Metabolome (база данных метаболитов фекалий).
Smart Metabolites Database – коммерческая база данных для анализа метаболома методом ГС-МС/МС.
Bovine Metabolome Database (BMDB) – бесплатная база данных метаболитов крупного рогатого скота.
Animal Metabolite Database (AMDB) – бесплатная база данных о концентрации метаболитов в тканях различных видов животных. База создана в Лаборатории протеомики и метаболизма Международного томографического центра Сибирского отделения Российской академии наук (ИТЦ СО РАН).
Lipid Maps – бесплатная база данных, содержащая структуры и аннотации биологически значимых липидов.
FooDB – крупнейший в мире ресурс с открытым доступом по компонентам пищевых продуктов; предоставляет информацию как о макроэлементах, так и о микроэлементах, включая многие компоненты, которые придают продуктам вкус, цвет, текстуру и аромат.
Программы для анализа данных
Chenomics – программа для анализа данных ЯМР‑метаболомики. Имеет свою базу данных из 338 соединений для разных значений pH и разных ЯМР-спектрометров (400–800 МГц).
Metaboanalyst – комплексная платформа для анализа метаболомных данных через веб-интерфейс. Поддерживает обработку спектров ЯМР и МС, позволяет делать всестороннюю нормализацию данных, статистический анализ, функциональный анализ, метаанализ, а также интегративный анализ с другими омиксными данными (Using MetaboAnalyst 5.0 ... 2022).