Metaboloomika

Kategooria:Ainevahetus
Kategooria:Loodusteadused
pisi|Metaboloomika asetumine teiste oomikate konteksti. Tõlge inglise keelest: genome, genoom; transcriptome, transkriptoom; proteome, proteoom; metabolome, metaboloom; proteins, valgud; sugars, süsivesikud; nucleotides, nukleotiidid; amino acids, aminohapped; lipids, lipiidid; lipidome, lipidoom; metabolites, metaboliidid; phenotype, fenotüüp; function, molekuli roll organismis. Tegelikult osalevad ainevahetuses ning on metaboloomika uurimisobjektiks ka sünteetilisi ühendeid, mis pole skeemil näidatud.
Metaboloomika tähistab nii teadusharu, mis uurib elusorganismides esinevat ainevahetuse tulemusena tekkivat molekulide ehk metaboliitide kogumit (metaboloomi), kui ka uurimismeetodite kogumit, mis võimaldavad metaboloomi detailselt uurida. Metaboliidid moodustuvad seejuures elusrakkudele omase ensümaatilise aktiivsuse tagajärjel nii looduslikku päritolu ühenditest (näiteks glükoosi anaeroobsel lagundamisel tekib piimhape) kui ka sünteetilistest ühenditest, mis on organismi sattunud näiteks ravimitena või endokriinseid häireid põhjustavate kemikaalidena (nt ftalaatidest tekivad monoftalaadid). Metaboloomika võib uurimisstrateegiana keskenduda kas konkreetsele analüüdile / analüütide rühmale (nn suunatud metaboloomika, ingl k targeted metabolomics) või kasutada nn sõrmejäljel põhinevat lähenemist (ingl k untargeted metabolomics), kus eri proovide võrdlemisel tuvastatakse kindlate tunnustega proovidele iseloomulik metaboliitide kombinatsioon – seejuures ei pruugi olla vajalik iga üksiku metaboliidi täpse keemilise struktuuri tuvastamine. Metaboloomika kui teadusharu eesmärk on uurida võimalikult suure arvu metaboliitide koosesinemist ja dünaamikat kindlas bioloogilises kontekstis – näiteks võrreldes tervele koele ja patoloogilise seisundiga koele iseloomulikke tunnuseid.
pisi|309x309px|Näide metaboloomika töövoost, mis võib kombineerida ka erinevaid mõõtmismeetodeid. Esimese sammuna toimub metaboliidid ekstraktsioon bioloogilisest uurimisobjektist (blood – veri, urine – uriin, tissue – tahked koeproovid, fecal – fekaalid, CSF – tserebrospinaalvedelik). Teise sammuna teostatakse proovi ettevalmistus ja mõõtmised NMR ja massispektromeetria abiga (ionization – ioniseerimine, separation by mass – lahutamine massi ja laengu suhte alusel, detection and readout – tuvastamine ja suhtelise hulga määramine). Lõpuks toimub tulemuste statistiline analüüs, mille eesmärgiks võib olla näiteks uudsete biomarkerite avastamine (pathway analysis – signaaliradade analüüs, millest tuvastatud huvipakkuvad analüüdid osa võtavad, PCA – peakomponentide analüüs, heatmap – värvikoodi kasutav komponentide esindatuse võrdlus).
Metaboloomika asetub oomika-teadusharude (ingl k omics) hulka koos genoomika (keskendub DNA järjestustele ja variatsioonidele), transkriptoomika (keskendub eri tüüpi RNA molekulidele) ja proteoomikaga (keskendub valkude kogumile koos translatsioonijärgsete modifikatsioonidega). Kui genoom, transkriptoom ja proteoom kajastavad geneetiliselt kodeeritud informatsiooni avaldumist geenide tasandist valkudeni, siis metaboloom peegeldab info avaldumise tagajärjel ja keskkonnamõjude tulemusena saavutatud ainevahetuse seisundit kindlas lokatsioonis (rakus, koes, organis) kindlal ajal.

 Mõõtmismeetodid ja analüütide liigitus 
Metaboloomikas kasutatakse mitmeid analüütilisi tehnikaid, mille abil saab tuvastada metaboliitide keemilisi struktuure ja/või määrata metaboliitide sisaldust bioloogilistes proovides. Enamasti valitakse konkreetne uurimismeetod vastavalt metaboliitide rühmale, mida soovitakse tuvastada, ning ka metaboliidi hulgale uuritavas proovis:

 Gaasikromatograafia-massispektromeetria (GC-MS) sobib eelkõige hüdrofoobsete, lenduvate ja kõrgel temperatuuril stabiilsete metaboliitide analüüsiks. GC-MS nõuab sageli metaboliitide keemilist modifitseerimist ehk derivatiseerimist enne mõõtmist (näiteks derivatiseeridtakse karboksüülhapped sageli lenduvamateks estriteks).
 Vedelikkromatograafia-massispektromeetria (LC-MS) sobib peamiselt veeslahustuvate ühendite analüüsimiseks. LC-MS võimaldab uurida laia valikut metaboliite, kuid keeruliste maatriksite korral võib mõningate analüütide tuvastamine olla raskendatud (eriti juhul, kui molekulide ioniseerimiseks kasutatakse elektropihustusionisatsiooni ehk ESI-t).
 Tuumamagnetresonantsspektroskoopia (NMR) on vähem tundlik meetod, mis vajab suuremat analüüdi hulka. Samas võimaldab see bioloogilistes vedelikes (nt uriinis, vereseerumis) metaboliite määrata vähese prooviettevalmistuse järel ning on mittedestruktiivne meetod (st erinalt massispektromeetrilistest meetoditest jääb NMR puhul proov lagundamata kujul alles).
pisi|Näide metaboolsest rajast: glükoosi muundamine püruvaadiks glükolüüsi jooksul. Igat reaktsiooni (funktsionaalrühma muutumine tähistatud punase kastina) katalüüsib eraldi ensüüm. Põhimõtteliselt on metaboloomika abil võimalik tuvastada igat individuaalset metaboliiti, kuid mõningate ainete vähese stabiilsuse tõttu ei ole see praktikas ratsionaalne.
Kui klassikaline metaboloomika uurib sadade kuni tuhandete metaboliitide tasemeid korraga, siis on olemas ka spetsiifilisemad uurimismeetodid, mis keskenduvad metaboolse fenotüübi funktsionaalsuse mõõtmisele. Selliseid meetodeid võib käsitleda metaboloomika osana, kuid need ei kuulu kitsas tähenduses metaboloomika alla. Näiteks on kogunud populaarsust firma Seahorse Bioscience 2006. aastal arendatud nn Seahorse meetod, mis võimaldab mõõta reaalajas mikrotiiterplaadi formaadis rakkude hapnikutarbimist (ingl k oxygen consumption rate ehk OCR) ja rakuvälise keskkonna hapestumise kiirust (ingl k extracellular acidification rate ehk ECAR). Seeläbi saab Seahorse meetodi abil hinnata mitokondriaalset hingamist (korreleerub oksüdatiivse fosforüülimise aktiivsusega) või piimhappe moodustumist (näitab rakkude glükolüütilist aktiivsust).

Metaboloomika keskendub eeskätt orgaanilistele ainetele, kuid uuritavates proovides leidub ka anorgaanilisi aineid (nt naatriumi, kaaliumi ja kaltsiumi soolad, eeskätt fosfaadid). Need võivad segada proovi orgaaniliste metaboliitide analüüsi, kuid võivad samas anda ka väärtuslikku infot bioloogilise süsteemi seisundi kohta. Näiteks korreleeruvad muutused metalliioonide hulgas või võimes moodustada kompleksühendeid orgaaniliste ainetega mitmete ainevahetusprotsesside aktiivsusega:

 Mg²⁺ esineb sageli kompleksina ATP-ga ning osaleb nukleiinhapete metabolismis;
 Zn²⁺ on oluline arvukate ensüümide (nt alkoholide dehüdrogenaasi) aktiivsuse tagamisel;
 Fe²⁺ / Fe³⁺ redokspaaril on võtmeroll hingamisahelaga seotud reaktsioonides.
Samuti osalevad ainevahetuses muud anorgaanilised ioonid, sealhulgas:

 Fosfaadid – fosfaadid esinevad hüdroksüapatiidina luude koostises, kuid fosfaadijäägid kuuluvad ka nukleiinhapete ja nukleotiidide koostisse ning esinevad valkude koosseisus translatsioonijärgsete modifikatsioonidena. Lisaks on fosfaadid olulised pH puhverdamisel (nt divesinikfosfaat/monovesinikfosfaat üleminek).
 Karbonaadid – osalevad karboksüülimisreaktsioonides (mis on olulised näiteks fotosünteesi jaoks taimedes, aga ka vere hüübimise tagamisel imetajates) ja ka pH puhverdamisel (nt vesinikkarbonaat/karbonaat üleminek).
 Ammooniumkatioon – aminohapete laguprodukt ja uurea sünteesi lähteaine.

Anorgaaniliste ühendite kvantitatiivseks määramiseks kasutatakse proovist ja konkreetsemast eesmärgist olenevalt kombinatsioone ioonvahetuskromatograafial, aatomabsorptsioonil ja -emissioonil ning kolorimeetrial põhinevatest meetoditest, samuti induktiivsidestatud plasma massispektromeetriat (ingl k inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS) ja röntgenfluorestsentsi (ingl k X-ray fluorescence, XRF). Bioloogilistes süsteemides leiduvate metallide uuringuid eristatakse sageli omaette valdkonnana, mis kuulub metaboloomika alla. Nn metalloomika (ingl k metallomics) ehk metallo-metaboloomika keskendub seejuures nii elusorganismidele omaste metallide ja metallipõhiste kompleksühendite (nt metalloproteiinide) tuvastamisele kui ka metalle sisaldavate ravimite (nt plaatinapõhised vähivastased ravimid) metabolismile elusorganismides.

 Andmebaasid 

pisi|Metaboloomikat kasutatakse ka toksikoloogiliste uuringute läbiviimisel. Pildil on näidatud proovide metaboloomi määramine NMR abiga USA Toidu- ja Ravimiametis 2008. aastal.Metaboloomikaga tegelevad teadlased toetuvad spetsiaalsetele andmebaasidele, mis aitavad tuvastada, kvantifitseerida ja interpreteerida metaboliitidele vastavaid signaale. Need andmebaasid sisaldavad näiteks järgmist teavet:

 metaboliitide keemilised struktuurid;
 numbrilised parameetrid: nt molekulide ioniseerumisel ja fragmenteerumisel tekkivate ioonide massi ja laengu suhe, iseloomulik retentsiooniaeg kromatograafilisel lahutamisel eri tüüpi kolonnidega, keemiliste nihete komplekt erinevat tüüpi NMR-spektrite jaoks;
 biokeemilised sünteesirajad ja muud reaktsioonide ahelad (ainevahetusrajad), milles analüüsitav metaboliit osaleb.

 The Human Metabolome Database (HMDB) 
pisi|D-glükoosist lähtuv antibiootikumi streptomütsiini biosüntees Streptomyces bakterites esitatuna KEGG rajana. Lillad kastid kujutavad ensüüme (nummerdus vastab ensüümiklasside nomenklatuurile).
HMDB on avaliku ligipääsuga elektrooniline andmebaas, mis keskendub inimkehas leiduvatele väikese molekulmassiga metaboliitidele. Lisaks füsiko-keemilistele parameetritele (nt oktanooli-vee jaotuskoeffitsient) ja bioloogilistele andmetele (nt ensüümid, mis ainet metaboliseerivad, või transporterid, mis vastutavad aine transpordi eest rakku) sisaldab see ka kliinilist infot, näiteks metaboliidi kontsentratsiooni uriinis. 2025. aasta juuli seisuga on andmebaasis info kokku 220945 metaboliidi kohta ning 8610 valgu kohta, mis metaboliitidega vastastikmõjusid loovad. Mitmed andmeväljad viitavad ka teistele avalikele andmebaasidele nagu DrugBank, UniProt või KEGG.

 Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) 
KEGG on avaliku ligipääsuga andmebaaside kollektsioon, mis põimib mitmete oomikate andmeid erinevate elusorganismide ja ka viiruste kohta. KEGG eesmärgiks on leida süstematiseeritud seosed suurtes andmemassiivides, et teadlane saaks koondada tuvastatud metaboliitide nimekirja ühiseks ainevahetusrajaks (või mitmeks erinevaks ainevahetusrajaks) ning seda visualiseerida. 2025. aasta juuli seisuga sisaldab KEGG infot kokku 19508 metaboliidi kohta, mis on paigutatud kokku 580 erineva ainevahetusraja koosseisu.

 Varamud METLIN ja MetaboLights 
Repositooriumid METLIN ja MetaboLights võimaldavad teadlastel pääseda ligi varasemate uuringute tõlgendatud andmetele ning samas laadida üles oma uuringute tulemused (näiteks enne publitseerimist). METLIN loodi USA teadusasutuse The Scripps Research Institute poolt 2005. aastal ning repositoorium keskendub konkreetsemalt massispektromeetrilistele andmetele, sisaldades tõlgendatud infot enam kui 240000 erineva ühendi kohta. MetaboLights loodi Euroopa Molekulaarbioloogia Laboratooriumi Bioinformaatika Instituudi (EBI-EMBL) poolt 2012. aastal ning repositoorium on üldisema eesmärgiga, võimaldades üles laadida eri tüüpi toorandmeid ja nendega seotud metaandmeid. Tõlgendatud sissekannete põhjal on 2025. aasta juuli seisuga MetaboLights repositooriumis võimalik teha otsing 2989 erinevas liigis leiduva 33253 metaboliidi kohta.

 Metaboloomikaga seotud eetilised aspektid 
Võrreldes teiste oomikate kaudu saadud andmemassiividega, võimaldavad metaboloomika tundlikumad meetodid tuvastada kehavedelike analüüsil lisaks geneetilistele eelsoodumustele või realiseerunud terviseriskidele ka elustiili ja käitumismustritega seotud parameetreid. Näiteks saab metaboloomika andmete põhjal teha kindlaks ravimite manustamist, ravimite võtmata jätmist või hoopis uimastite tarbimist. Kuigi see info võib osutuda kliiniliselt relevantseks või vajalikuks kohtuekspertiisi seisukohalt, tekitab see eetilisi probleeme isikute privaatsuse ja ootamatu leidude konfidentsiaalsena hoidmise seisukohalt. Seetõttu on metaboloomika kasutamisel teaduslikes uuringutes viimasel aastakümnel pööratud eriti teravalt tähelepanu isikuandmete pseudonüümimise ja anonümiseerimise meetmetele, isikuandmete juurdepääsetavuse piiramisele ning ka patsientide informeeritud nõusoleku üksikasjalikkusele.

Sotsiaalsest aspektist eriti tundlike metaboloomika-alaste uuringute puhul on eetikaloa väljastamisel mõnikord mindud vastuolusse ka uuringu andmete jagamise (FAIR) printsiipidega, kaitsmaks uuringus osalejate privaatsust. Samas on sellist lähenemist teaduskirjanduses ka kritiseeritud, apelleerides asjaolule, et erinevalt genoomi uuringutest, ei ole metaboloomi põhjal patsiendi isiku ühene identifitseerimine põhimõtteliselt võimalik.

 Metaboloomika-alased uuringud Eestis 
Eestis olid metaboloomika-alaste uuringusuuna rajajaiks TÜ meditsiinilise biokeemi professor Mihkel Zilmer ja TÜ meditsiinilise metaboloomika professor Ursel Soomets, kelle eestvedamisel sai Tartu Ülikoolis loodud metaboloomika tuumiklabor (2025. aasta juuli seisuga juhib seda meditsiinilise metaboloomika kaasprofessor Kalle Kilk). Nende arvukates publikatsioonides on metaboloomikat kasutatud näiteks uurimaks ainevahetuslike muutuste rolli neuropsühhiaatrilistes haigustes (koostöös inimese füsioloogia professori Eero Vasaraga), südame-veresoonkonnahaigustes (koostöös vasoloogia professori Jaak Kalsiga) või nahahaigustes (koostöös dermatoloogia ja veneroloogia professori Külli Kingoga). Samuti on teostatud toksikoloogia-alaseid uuringuid rakkuminevate peptiidide toime iseloomustamiseks (koostöös Stockholmi Ülikooli neurokeemia ja molekulaarse neurobioloogia professori Ülo Langeliga) ning veterinaaria-alaseid uuringuid veise embrüote pesastumise edukuse ennustamiseks (koostöös Eesti Maaülikooli veterinaarmeditsiini ja loomakasvatuse instituudi professori Ülle Jaakmaga).

Metaboloomika-alaseid uuringuid on teostatud ka Eesti geenivaramu doonorite proovidega.

 Vaata ka 

 Mikrofüsiomeetria

 Viited