Metabolomikforschung
Unter Metabolomik versteht man die umfassende Untersuchung von Metaboliten, d. h. von niedermolekularen Substraten, Zwischenprodukten und Produkten des Stoffwechsels in Zellen, Bioflüssigkeiten, Geweben oder Organismen. Diese einzigartigen chemischen Fingerabdrücke werden von Zellprozessen hinterlassen. Die Metabolomikforschung liefert einen biochemischen Überblick über ein biologisches System und die physiologischen Auswirkungen von Krankheit, Ernährung, Therapie oder genetischen Veränderungen auf einen Organismus. Zu den üblichen Anwendungen für die Untersuchung der Metabolomik von Menschen, Mikroorganismen oder Pflanzen gehören:
- Pharmazeutische Forschung zur Charakterisierung und Identifizierung neuer Biomarker für Krankheiten und zur Bewertung der Toxizität für die personalisierte Medizin
- Integration der funktionellen Genomik oder die Untersuchung der Interaktion von Genom, Transkriptom, Proteom und Metabolom zur Vorhersage der Genfunktion
- Mikrobielles Mining und Stammoptimierung
- Pflanzenmetabolomik für die landwirtschaftliche Biotechnologie
- Umfeldforschung zur Untersuchung der Auswirkungen von Schadstoffen in aquatischen oder terrestrischen Ökosystemen und zur Optimierung der Produktion von Biokraftstoffen
- Ernährungsforschung zur Bewertung des Nährstoffgehalts und Durchführung von Tests zur Lebensmittelsicherheit
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 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 Metabolomanalyse ist die Quantifizierung bestimmter bekannter Metaboliten in einer Probe, in der Regel innerhalb eines bestimmten Weges oder einer verwandten Gruppe von Verbindungen. Die ungezielte Metabolomanalyse liefert das globale Stoffwechselprofil einer Probe sowohl für bekannte als auch für unbekannte Metaboliten mit dem Ziel, neue Metaboliten zu identifizieren. Das Metabolite-Fingerprinting ist eine schnelle, globale Analyse der Metaboliten in einer Probe, ohne die Absicht, jeden einzelnen Metaboliten spezifisch zu identifizieren.
Ein Workflow in der Metabolomik umfasst einen integrierten Ansatz für die Probenvorbereitung, Standardisierung und Kalibrierung, Trennverfahren, den Nachweis von Metaboliten und die Datenanalyse. Zu den Probentypen gehören Plasma, Urin, Speichel, Gewebe und Zellen. Probenvorbereitung und Trennverfahren sind notwendig, um komplexe Gemische zu vereinfachen, da es schwierig ist, ein breites Spektrum von Metaboliten mit unterschiedlichen physiochemischen Eigenschaften gleichzeitig zu analysieren. Übliche Trennmethoden sind Gaschromatographie (GC), Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) oder Kapillarelektrophorese (CE). Diese Trennverfahren werden in der Regel mit der Massenspektrometrie als Nachweisverfahren, GC-MS oder LC-MS kombiniert. Massenspektrometrie (MS), Kernspinresonanz (NMR), Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR) und Raman-Spektroskopie sind Analysetechniken, die häufig zum Nachweis von Metaboliten eingesetzt werden. Die Analyse von Metabolomikdaten erfordert hochentwickelte Werkzeuge und Software für die stringente Identifizierung und Quantifizierung von Verbindungen und die genaue Dateninterpretation.
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