Μεταβολιτωματική

μικρογραφία| Το κεντρικό δόγμα της βιολογίας που δείχνει τη ροή της πληροφορίας από το DNA στο φαινότυπο. Το κάθε στάδιο συνδέεται με το αντίστοιχο εργαλείο βιολογίας συστημάτων, από τη γονιδιωματική έως τη μεταβολομική.
Η  **μεταβολιτωματική** ή και **μεταβολωμική** (από το αγγλικό *metabolomics*) είναι η μελέτη των χημικών διεργασιών που περιλαμβάνουν μεταβολίτες, μικρά μόρια, που αποτελούν ενδιάμεσα ή/και τελικά προϊόντα του κυτταρικού μεταβολισμού. Συγκεκριμένα, η μεταβολωμική είναι η «συστηματική μελέτη των μοναδικών χημικών δακτυλικών αποτυπωμάτων που αφήνουν πίσω τους συγκεκριμένες κυτταρικές διεργασίες». Το μεταβόλωμα αντιπροσωπεύει το πλήρες σύνολο των μεταβολιτών σε ένα βιολογικό κύτταρο, ιστό, όργανο ή οργανισμό, οι οποίοι είναι τα τελικά προϊόντα των κυτταρικών διεργασιών. Το αγγελιαφόρο RNA (mRNA), τα δεδομένα γονιδιακής έκφρασης και οι πρωτεομικές αναλύσεις αποκαλύπτουν το σύνολο των γονιδιακών προϊόντων που παράγονται στο κύτταρο, δεδομένα τα οποία αντιπροσωπεύουν μία όψη της κυτταρικής λειτουργίας. Από την άλλη, το μεταβολικό προφίλ μπορεί να δώσει μία στιγμιαία εικόνα της φυσιολογίας αυτού του κυττάρου, και με αυτόν τον τρόπο, η μεταβολομική παρέχει μια άμεση «λειτουργική ανάγνωση της φυσιολογικής κατάστασης» ενός οργανισμού. Μία από τις προκλήσεις της βιολογίας συστημάτων και της λειτουργικής γονιδιωματικής είναι η ενσωμάτωση γονιδιωματικών, μεταγραφωματικών, πρωτεϊνωματικών και μεταβολωμικών πληροφοριών για την καλύτερη κατανόηση της κυτταρικής βιολογίας.

## Μεταβολίτες
Οι μεταβολίτες είναι τα ενδιάμεσα ή/και τα τελικά προϊόντα του μεταβολισμού. Στα πλαίσια της μεταβολομικής, ένας μεταβολίτης συνήθως ορίζεται ως οποιοδήποτε μόριο χαμηλού μοριακού βάρους (<1.5 kDa). Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες εξαιρέσεις ανάλογα με το δείγμα και τη μέθοδο ανίχνευσης. Για παράδειγμα, μακρομόρια όπως οι λιποπρωτεΐνες και η λευκωματίνη ανιχνεύονται αξιόπιστα με τη χρήση της φασματοσκοπίας NMR στο πλάσμα του αίματος. Σε μεταβολομικές μελέτες που πραγματοποιούνται σε φυτικούς οργανισμούς, είναι συνηθισμένο να αναφερόμαστε σε "πρωτογενείς" και "δευτερογενείς" μεταβολίτες. Ένας πρωτογενής μεταβολίτης εμπλέκεται άμεσα στη φυσιολογική ανάπτυξη, εξέλιξη και αναπαραγωγή. Ένας δευτερογενής μεταβολίτης δεν εμπλέκεται άμεσα σε αυτές τις διαδικασίες, αλλά συνήθως έχει σημαντική οικολογική λειτουργία. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν αντιβιοτικά και χρωστικές. Αντιθέτως, σε μεταβολομικές αναλύσεις που πραγματοποιούνται σε ανθρώπινα δείγματα, είναι πιο συνηθισμένο να περιγράφονται οι μεταβολίτες είτε ως ενδογενείς (που παράγονται από τον οργανισμό ξενιστή) είτε ως εξωγενείς.

## Αναλυτικές Τεχνικές

### Κύρια στάδια μιας μελέτης μεταβολωμικής
Η τυπική ροή εργασίας μιας μεταβολωμικής μελέτης αρχικά περιέχει τη συλλογή δειγμάτων από ιστούς, πλάσμα ή ορό αίματος, ούρα, σάλιο, κύτταρα ή άλλα βιολογικά υποστρώματα. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η εξαγωγή των μεταβολιτών, συχνά με την προσθήκη εσωτερικών προτύπων και τη διαδικασία παραγωγοποίησης (derivatization). Κατά την ανάλυση των δειγμάτων, οι μεταβολίτες προσδιορίζονται ή/και ποσοτικοποιούνται (μέσω υγρής ή αέριας χρωματογραφίας σε συνδυασμό με φασματομετρία μάζας (MS) ή/και φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού NMR).

Τα ανεπεξέργαστα δεδομένα χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή χαρακτηριστικών μεταβολιτών και υπόκεινται σε περαιτέρω επεξεργασία πριν από τη στατιστική ανάλυση. 

Σήμετα διατίθενται πολλά βιοπληροφορικά εργαλεία και λογισμικά που επιτρέπουν:

* την αναγνώριση συσχετίσεων με παθολογικές καταστάσεις και κλινικά αποτελέσματα,
* τον εντοπισμό στατιστικά σημαντικών συσχετίσεων, και
* τον χαρακτηρισμό μεταβολικών «αποτυπωμάτων» με βάση την υπάρχουσα βιολογική γνώση.

### Μέθοδοι διαχωρισμού και ανίχνευσης
Η φασματομετρία μάζας (MS) χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση μεταβολιτών, έπειτα από προαιρετικό διαχωρισμό με αέρια χρωματογραφία (GC), υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC) ή τριχοειδή ηλεκτροφόρηση (CE).

Η τεχνική GC-MS αποτέλεσε την πρώτη «συνδυασμένη» (hyphenated) τεχνολογία που αναπτύχθηκε. Η ταυτοποίηση των μεταβολιτών βασίζεται στα ιδιαίτερα πρότυπα θραύσης (fragmentation patterns) που προκύπτουν κατά την ιοντοποίηση των αναλυτών. Τα πρότυπα αυτά λειτουργούν ως φασματομετρικά «δακτυλικά αποτυπώματα», τα οποία επιτρέπουν την αναγνώριση συγκεκριμένων ενώσεων.

Υπάρχουν εξειδικευμένες βιβλιοθήκες φασμάτων μάζας, οι οποίες επιτρέπουν την ταυτοποίηση ενός μεταβολίτη συγκρίνοντας το φάσμα του με γνωστά πρότυπα θραύσης.

Η φασματομετρία μάζας είναι μια τεχνική υψηλής ευαισθησίας και μπορεί να προσφέρει πολύ μεγάλη εκλεκτικότητα. Επιπλέον, υπάρχουν αρκετές προσεγγίσεις όπου η MS χρησιμοποιείται ως αυτόνομη τεχνολογία, χωρίς προηγούμενο διαχωρισμό. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το δείγμα εισάγεται απευθείας στο φασματόμετρο και η MS παρέχει επαρκή εκλεκτικότητα ώστε να επιτρέπει τόσο τον μερικό διαχωρισμό όσο και την ανίχνευση των μεταβολιτών.

#### Αέρια Χρωματογραφία
Η αέρια χρωματογραφία (GC), ειδικά όταν συνδυάζεται με φασματομετρία μάζας (GC-MS), αποτελεί ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική διαχωρισμού για μεταβολωμική ανάλυση. Η αέρια χρωματογραφία μπορεί να χρησιμοποιηθεί συνδυαστικά με ανιχνευτή ιονισμού φλόγας (GC/FID) ή φασματογράφο μάζας (GC-MS). Η μέθοδος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση μικρών και πτητικών μορίων.

Ωστόσο, ένας πρακτικός περιορισμός της αέριας χρωματογραφίας είναι η ανάγκη χημικής παραγωγοποίησης για πολλά βιομόρια, καθώς μόνο πτητικές ενώσεις μπορούν να αναλυθούν χωρίς αυτήν. 

#### Υγρή χρωματογραφία
Η υψηλής απόδοσης υγρή χρωματογραφία (HPLC) έχει αναδειχθεί ως η πιο κοινή τεχνική διαχωρισμού για μεταβολωμική ανάλυση. Με την ανάπτυξη του ιονισμού ηλεκτροψεκασμού (electrospray ionization), η υψηλής απόδοσης υγρή χρωματογραφία συνδέθηκε με τη φασματομετρία μάζας (HPLC-MS).

Σε αντίθεση με την αέρια χρωματογραφία, η υψηλής απόδοσης υγρή χρωματογραφία έχει χαμηλότερη χρωματογραφική ανάλυση, αλλά δεν απαιτεί παραγωγοποίηση για πολικά μόρια και διαχωρίζει μόρια σε υγρή φάση. Επιπλέον, η υγρή χρωματογραφία έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να ανιχνεύσει πολύ ευρύτερο φάσμα αναλυτών με υψηλότερη ευαισθησία από τις μεθόδους αέριας χρωματογραφίας.

## Παραπομπές

Κατηγορία:Βιολογία συστημάτων
Κατηγορία:Μεταβολισμός