Metabolomikforschung

Anwendungen der Metabolomik

Die Metabolomik und ihre breit gefächerten Anwendungsgebiete haben starken Einfluss auf die pharmazeutische Forschung, indem sie Biomarker für Krankheiten identifizieren und die Toxizität individualisierter Medizin beurteilen. Auch bei der Integration der funktionellen Genomik spielt sie eine zentrale Rolle, da sie die Genfunktion durch die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Genom, Transkriptom, Proteom und Metabolom vorhersagt. Die Erzlaugung profitiert von den Erkenntnissen der Metabolomik für eine verbesserte Stammoptimierung, während die Pflanzenmetabolomik die landwirtschaftliche Biotechnologie durch die Untersuchung von Pflanzenmetaboliten voranbringt. Die Umweltforschung bedient sich der Metabolomik, um die Auswirkungen von Schadstoffen zu testen und die Biokraftstoffproduktion zu optimieren, während die Ernährungsforschung die Metabolomik zur Beurteilung von Nährstoffgehalten und zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit einsetzt. 

Metaboliten und das Metabolom verstehen

Die Interaktion von Metaboliten innerhalb eines biologischen Systems wird als Metabolom bezeichnet. Das Metabolom ist die Gesamtheit der Metaboliten in einem Organismus oder einer biologischen Probe. Metaboliten sind Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, im Allgemeinen weniger als 1,5 KDa, die Zwischenprodukte oder Produkte von Biosynthese-/katabolen Wegen sind. Beispiele hierfür sind Aminosäuren, Nukleotide, Kohlenhydrate und Lipide, die in der Lipidomforschung oft getrennt untersucht werden. Primärmetaboliten sind endogene Stoffe, die direkt an normalem Wachstum, Entwicklung und Reproduktion beteiligt sind. Sekundärmetaboliten sind exogen und nicht an diesen Prozessen beteiligt, haben aber wichtige ökologische Funktionen.

Stoffwechselwege und Analysetechniken

Stoffwechselwege werden mit Hilfe von Metaboliten, Enzymen, Werkzeugen für die Trennung sowie Metabolitenanalyse und -kennzeichnung untersucht. Zwei der gängigsten Verfahren zur Erstellung von Stoffwechselprofilen sind gezielte und ungezielte Metabolomanalysen. Die gezielte Analyse quantifiziert bestimmte bekannte Metaboliten, während die ungezielte Analyse ein allgemeines Stoffwechselprofil für bekannte und unbekannte Metaboliten liefert. Der metabolische Fingerabdruck ist eine schnelle allgemeine Analyse, bei der nicht alle einzelnen Metaboliten identifiziert werden.

Workflow in der Metabolomik und Analysemethoden

Ein Workflow in der Metabolomik umfasst einen integrierten Ansatz für die Probenvorbereitung, Standardisierung und Kalibrierung, Trennverfahren, den Nachweis von Metaboliten und die Datenanalyse. Übliche Probentypen sind Plasma, Urin, Speichel, Gewebe und Zellen. Trennverfahren wie Gaschromatographie (GC), Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) oder Kapillarelektrophorese (CE) werden mit Nachweisverfahren wie Massenspektrometrie (MS) kombiniert. Zu den Analysetechniken, die üblicherweise für den Nachweis von Metaboliten verwendet werden, zählen MS, Kernspinresonanz (NMR), Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR) und Raman-Spektroskopie. Für die metabolomische Datenanalyse sind hochentwickelte Tools und Software erforderlich, die eine gründliche Identifizierung und Quantifizierung von Verbindungen sowie eine genaue Datenauswertung gewährleisten.