代谢组学研究

由类似于银河的代谢物结构包围着的细胞的图示

代谢组学是针对细胞、生物体液、组织或生物体中的代谢物、小分子底物、代谢中间体和产物进行的全面研究。这些独特的化学指纹是由细胞过程遗留下来的。代谢组学研究对生物学系统以及疾病、营养、治疗或遗传修饰对生物体的影响进行了生物化学层面的概括。适用于人体、微生物或植物代谢组学的常见应用包括:

  • 药物研究,用于帮助表征和识别疾病的全新生物标志物以及对个体化药物的毒性进行评估
  • 功能基因组整合,或对基因组、转录组、蛋白质组和代谢组之间的相互作用进行研究以预测基因功能
  • 微生物采矿和应变优化
  • 用于农业生物技术的植物代谢组学
  • 环境研究,用于测试水生或陆地生态系统中污染物的影响并优化生物燃料的生产
  • 营养研究,用于评估营养水平并进行食品安全检测

代谢物在生物学系统中的相互作用被称为代谢组,它是生物体或生物学样品中的整套代谢产物。代谢物是分子量通常小于1.5 KDa的低分子量化合物,是生物合成/分解代谢途径的中间体或产物。它们包括通常在脂质组学研究中分别研究的氨基酸、核苷酸、碳水化合物和脂质。初级代谢物是内源性的,并直接参与正常的生长、发育和繁殖。而次级代谢物是外源性的,并不参与到这些过程,但具有重要的生态功能。

代谢组学途径是通过利用代谢物、酶、分离工具以及代谢物分析和标记进行研究的。两种最常见的代谢谱分析技术是靶向和非靶向代谢组学分析。其中,靶向代谢组学分析是对样品中特定的已知代谢产物进行定量,通常是在明确的途径或相关的化合物组中进行的。而非靶向代谢组学分析可为已知和未知代谢物提供某个样品的整体代谢谱,其目的在于鉴定新型代谢物。代谢指纹分析是针对某个样品中的代谢物而进行的一种快速、整体分析,并无意于对每种代谢物都进行专门的鉴定。

代谢组学工作流程涉及整合了样品制备、标准化和校准、分离方法、代谢物检测和数据分析的集成方法。样品类型包括血浆、尿液、唾液、组织和细胞。样品制备和分离方法对于简化复杂的混合物是必需的,因为很难同时对具有各种理化特性的各种代谢物进行分析。所用的常用分离方法包括气相色谱(GC))高效液相色谱(HPLC)或毛细管电泳(CE)。这些分离方法通常与质谱进行联用而用作检测方法,即GC-MS或LC-MS。质谱(MS)核磁共振(NMR)、傅立叶变换红外(FT-IR)光谱和拉曼光谱是代谢物检测中常用的分析技术。代谢组学数据分析需要用于严格的化合物鉴定和定量的复杂工具和软件,以及准确的数据解读。


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