Anvendelse af massespektrometriske molekylære netværk i studiet af naturproduktstrukturer
Strukturanalyse af forbindelser er afgørende for opdagelsen af naturprodukter, især for at afsløre det materielle grundlag for sjældne eller dyrebare kinesiske lægemidler. Men analysen af meget forskellige forbindelsesstrukturer kræver en betydelig mængde tid og arbejdskraft, hvilket er en af de største udfordringer ved karakterisering af naturprodukter. Derfor anvendes massespektrometrisk molekylær netværksteknologi til strukturel forskning i naturprodukter.

Væskekromatografi-tandem-massespektrometri (LC-MS/MS) er en af de mest anvendte analysemetoder inden for metabolomik, men fortolkningen af disse komplekse data er en stor udfordring inden for forskning i naturprodukter. I de senere år har fremkomsten af nye bioinformatiske metoder som f.eks. molekylære netværk givet nye ideer og perspektiver til genkendelse af kendte forbindelser i komplekse matricer. Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) er en åben database med tandem-massespektrometridata, som i øjeblikket er den eneste offentlige grundlæggende platform, der er i stand til at implementere molekylære netværk og analysere datasæt genereret af LC-MS/MS. Visualiseringen af molekylære netværk i GNPS repræsenterer hvert spektrum som en node, og arrangementet af spektre til spektre repræsenterer forbindelserne mellem noder. Relevante molekylære spektre kan visualiseres som molekylære netværk online i GNPS. GNPS består af i alt 235850 spektre og 22644 forbindelser. GNPS muliggør ikke kun identifikation af kendte forbindelser, analoger og automatisk analyse af forbindelser i molekylære netværk, men har også evnen til at replikere, linke og gemme sekundære massespektrometridata fra flere kilder.

Molecular networking (MN) er en platform til organisering og visualisering af MS/MS-data. Hvert massespektrum betragtes som en vektor og sammenlignes med alle andre massespektre ved hjælp af cosinus-lighed. Når ligheden mellem to massespektre overskrider en tærskel, forbindes de i det molekylære netværk. I 2012 foreslog professor Pieter for første gang molekylær netværksteknologi. Massespektrometri-molekylært netværk er en metode baseret på tandem-massespektrometrianalyse (MS/MS), der er velegnet til analyse af forskellige naturprodukter. Formålet er hurtigt at identificere kendte forbindelser og bestemme forskellige ukendte naturprodukter. Kort sagt går metoden ud på at indsamle tandem-massespektrometridata og konstruere et netværk baseret på fragmenternes lighed. Denne teknologi er blevet anvendt i vid udstrækning inden for områder som naturprodukter, metabolomik og lægemiddelopdagelse.

I øjeblikket har Trivella et al. og Fox Ramos et al. rapporteret, at MN har vist sig at være et yderst effektivt værktøj til hurtigt at identificere naturlige produkter i komplekse blandinger og hjælpe med at opdage nye naturlige produkter; Nothias Esposito et al. rapporterede, at MN er et effektivt værktøj til at karakterisere genereringen af specifikke metabolitter i planter i metabolomics baseret på massespektrometri; Kang et al. brugte MN til at klassificere sekundære metabolitter i lignende klynger, som er blevet brugt i forskning i naturlige produkter til at screene og isolere mål; Lei et al. observerede forskelle i indholdet af uforarbejdet og forarbejdet aconit ved hjælp af MN; Derudover rapporterede Tian et al., at MN tydeligt kan observere forskellene i kemisk sammensætning af te fra forskellige sorter og oprindelser, hvilket muliggør kvalitativ og kvantitativ evaluering af te; Ved at analysere typerne af fragmentioner og de relative indholdsændringer af fragmentioner kan ændringerne i den molekylære struktur af naturlige produkter og transformationen af deres funktionelle grupper udledes for at afgøre, om naturlige produkter genereres eller transformeres.

 

I de seneste par år er MN blevet foreslået som et nyt værktøj til at forenkle strukturforskningen af naturprodukter og er med succes blevet anvendt til opdagelse, adskillelse, fremstilling, strukturel identifikation og kvantitativ analyse af kemiske og aktive ingredienser i naturprodukter. MN er velegnet til at studere naturprodukters in vivo-sammensætning og metabolitter, hvilket bedre kan belyse deres farmakologiske stofgrundlag og metaboliske processer.

Ved at bruge MN til at sammenligne karakteristiske fragmentioner og analysere deres typer og relative indholdsændringer kan vi udlede de molekylære strukturændringer og funktionelle gruppetransformationer af naturlige produkter, som kan bruges til at udlede de biosyntetiske veje for naturlige produkter. Litteraturforskning har imidlertid vist, at der ikke er mange relevante rapporter i ind- og udland, hvilket kan være en ny retning for MN, der skal bruges i naturproduktforskning.

Sammenfattende kan man sige, at MN indtil videre primært er blevet anvendt til strukturel identifikation af naturprodukter. Når det kombineres med andre teknologier, er det en effektiv og hurtig metode til strukturel forskning i naturprodukter, især til opdagelse af nye strukturer og aktive ingredienser. Der er relativt lidt forskning i metabolisme, kvantitativ analyse og biosyntetiske veje i kroppen, hvilket er en retning, som forskere kan fokusere på i fremtiden.