Anwendung massenspektrometrischer molekularer Netzwerke bei der Untersuchung der Strukturen von Naturprodukten
Die Strukturanalyse von Verbindungen ist für die Entdeckung von Naturstoffen von entscheidender Bedeutung, insbesondere um die materielle Grundlage seltener oder wertvoller chinesischer Arzneimittel zu ermitteln. Die Analyse der sehr unterschiedlichen Verbindungsstrukturen erfordert jedoch einen erheblichen Zeit- und Personalaufwand, was eine der größten Herausforderungen bei der Charakterisierung von Naturstoffen darstellt. Daher wird die molekulare Netzwerktechnologie der Massenspektrometrie für die Strukturforschung von Naturstoffen eingesetzt.

Die Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) ist eine der am häufigsten verwendeten Analysemethoden in der Metabolomik. Die Interpretation dieser komplexen Daten ist jedoch eine große Herausforderung in der Naturstoffforschung. In den letzten Jahren hat das Aufkommen neuer Bioinformatik-Methoden wie molekulare Netzwerke neue Ideen und Perspektiven für die Erkennung bekannter Verbindungen in komplexen Matrices eröffnet. Das Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) ist eine offene Datenbank mit Tandem-Massenspektrometriedaten und derzeit die einzige öffentliche Plattform, die in der Lage ist, molekulare Netzwerke zu implementieren und durch LC-MS/MS erzeugte Datensätze zu analysieren. Die Visualisierung von molekularen Netzwerken in GNPS stellt jedes Spektrum als einen Knoten dar, und die Anordnung von Spektren zu Spektren stellt die Verbindungen zwischen den Knoten dar. Relevante Molekülspektren können in GNPS online als molekulare Netzwerke visualisiert werden. GNPS besteht aus insgesamt 235850 Spektren und 22644 Verbindungen. GNPS ermöglicht nicht nur die Identifizierung bekannter Verbindungen, Analoga und die automatische Analyse von Verbindungen in molekularen Netzwerken, sondern auch die Replikation, Verknüpfung und Speicherung sekundärer Massenspektrometriedaten aus verschiedenen Quellen.

Molecular Networking (MN) ist eine Plattform für die Organisation und Visualisierung von MS/MS-Daten. Jedes Massenspektrum wird als Vektor betrachtet und anhand der Kosinusähnlichkeit mit allen anderen Massenspektren verglichen. Wenn die Ähnlichkeit zwischen zwei Massenspektren einen Schwellenwert überschreitet, werden sie im molekularen Netzwerk miteinander verbunden. Im Jahr 2012 schlug Professor Pieter erstmals die Technologie des molekularen Netzwerks vor. Das molekulare Netzwerk der Massenspektrometrie ist eine Methode, die auf der Tandem-Massenspektrometrie-Analyse (MS/MS) basiert und sich für die Analyse verschiedener Naturstoffe eignet. Ihr Zweck ist es, bekannte Verbindungen schnell zu identifizieren und verschiedene unbekannte Naturstoffe zu bestimmen. Kurz gesagt, werden bei dieser Methode Tandem-Massenspektrometriedaten gesammelt und ein Netzwerk auf der Grundlage der Fragmentähnlichkeit aufgebaut. Diese Technologie ist in Bereichen wie Naturstoffe, Metabolomik und Arzneimittelentdeckung weit verbreitet.

Derzeit haben Trivella et al. und Fox Ramos et al. berichtet, dass sich MN als hocheffektives Werkzeug für die schnelle Identifizierung von Naturstoffen in komplexen Mischungen erwiesen hat und bei der Entdeckung neuer Naturstoffe hilft; Nothias Esposito et al. berichteten, dass MN ein effektives Werkzeug für die Charakterisierung der Erzeugung spezifischer Metaboliten in Pflanzen in der Metabolomik auf der Grundlage der Massenspektrometrie ist; Kang et al. verwendeten MN zur Klassifizierung von Sekundärmetaboliten in ähnlichen Clustern, was in der Naturstoffforschung zum Screening und zur Isolierung von Zielstoffen verwendet wurde; Lei et al. Lei et al. beobachteten mit MN Unterschiede im Gehalt von unverarbeitetem und verarbeitetem Eisenhut; Tian et al. berichteten, dass mit MN die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung von Tee aus verschiedenen Sorten und Herkünften deutlich zu erkennen sind, so dass eine qualitative und quantitative Bewertung von Tee möglich ist; durch die Analyse der Arten von Fragment-Ionen und der relativen Veränderungen des Gehalts an Fragment-Ionen kann auf die Veränderungen in der Molekularstruktur von Naturprodukten und die Umwandlung ihrer funktionellen Gruppen geschlossen werden, um festzustellen, ob Naturprodukte erzeugt oder umgewandelt wurden.

 

In den letzten Jahren wurde MN als ein aufstrebendes Instrument zur Vereinfachung der Strukturforschung von Naturprodukten vorgeschlagen und erfolgreich für die Entdeckung, Trennung, Zubereitung, strukturelle Identifizierung und quantitative Analyse chemischer und aktiver Bestandteile von Naturprodukten eingesetzt. MN eignet sich für die Untersuchung der In-vivo-Zusammensetzung und der Metaboliten von Naturprodukten, wodurch deren pharmakologische Wirkstoffbasis und Stoffwechselprozesse besser aufgeklärt werden können.

Durch die Verwendung von MN zum Vergleich charakteristischer Fragment-Ionen und zur Analyse ihrer Arten und relativen Inhaltsänderungen können wir auf die molekularen Strukturänderungen und funktionellen Gruppenumwandlungen von Naturprodukten schließen, die dazu verwendet werden können, die Biosynthesewege von Naturprodukten zu ermitteln. Die Literaturrecherche hat jedoch ergeben, dass es nicht viele einschlägige Berichte im In- und Ausland gibt, was eine neue Richtung für die Verwendung von MN in der Naturstoffforschung sein könnte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MN bisher hauptsächlich für die strukturelle Identifizierung von Naturstoffen eingesetzt wurde. In Kombination mit anderen Technologien ist es eine effiziente und schnelle Methode für die Strukturforschung von Naturstoffen, insbesondere für die Entdeckung neuer Strukturen und Wirkstoffe. Relativ wenig erforscht sind der Stoffwechsel, die quantitative Analyse und die Biosynthesewege im Körper, eine Richtung, auf die sich die Forscher in Zukunft konzentrieren können.