Tömegspektrometriás molekuláris hálózatok alkalmazása a természetes termékek szerkezetének vizsgálatában
A vegyületek szerkezeti elemzése kulcsfontosságú a természetes termékek felfedezéséhez, különösen a ritka vagy értékes kínai gyógyászati anyagok anyagi alapjainak feltárásához. A rendkívül változatos vegyületszerkezetek elemzése azonban jelentős mennyiségű időt és munkaerőt igényel, ami az egyik legnagyobb kihívás a természetes termékek jellemzésében. Ezért a tömegspektrometriás molekulahálózati technológiát alkalmazzák a természetes termékek szerkezeti kutatására.

A folyadékkromatográfiás tandem tömegspektrometria (LC-MS/MS) az egyik leggyakrabban használt analitikai módszer a metabolizmusban, azonban ezeknek a komplex adatoknak az értelmezése nagy kihívást jelent a természetes termékek kutatásában. Az elmúlt években az új bioinformatikai módszerek, például a molekuláris hálózatok megjelenése új ötleteket és perspektívákat nyújtott az ismert vegyületek komplex mátrixokban történő felismeréséhez. A Globális Természetes Termékek Társadalmi Molekuláris Hálózat (GNPS) a tandem tömegspektrometriás adatok nyílt adatbázisa, amely jelenleg az egyetlen olyan nyilvános alapozó platform, amely képes molekuláris hálózatok megvalósítására és LC-MS/MS által generált adathalmazok elemzésére. A GNPS-ben a molekuláris hálózatok vizualizációja minden spektrumot csomópontként ábrázol, a spektrumok spektrumokhoz való rendezése pedig a csomópontok közötti kapcsolatokat jelenti. A GNPS-ben a releváns molekuláris spektrumok molekuláris hálózatokként online vizualizálhatók. A GNPS összesen 235850 spektrumot és 22644 vegyületet tartalmaz. A GNPS nemcsak az ismert vegyületek, analógok azonosítását és a vegyületek automatikus elemzését teszi lehetővé molekuláris hálózatokban, hanem képes több forrásból származó másodlagos tömegspektrometriás adatok replikálására, összekapcsolására és tárolására is.

A molekuláris hálózat (MN) egy platform az MS/MS adatok szervezésére és vizualizálására. Minden tömegspektrumot vektornak tekintünk, és az összes többi tömegspektrummal összehasonlítjuk a koszinusz hasonlóság segítségével. Ha két tömegspektrum közötti hasonlóság meghalad egy küszöbértéket, akkor a molekuláris hálózatban összekapcsolódnak. Pieter professzor 2012-ben javasolta először a molekulahálózati technológiát. A tömegspektrometriás molekuláris hálózat egy tandem tömegspektrometriás analízisen (MS/MS) alapuló módszer, amely alkalmas különböző természetes termékek elemzésére. Célja az ismert vegyületek gyors azonosítása és a különböző ismeretlen természetes termékek meghatározása. Röviden, ez a módszer a tandem tömegspektrometriás adatok összegyűjtését és a fragmentumok hasonlóságán alapuló hálózat felépítését foglalja magában. Ezt a technológiát széles körben alkalmazzák olyan területeken, mint a természetes termékek, a metabolizmus és a gyógyszerkutatás.

Jelenleg Trivella et al. és Fox Ramos et al. arról számoltak be, hogy az MN rendkívül hatékony eszköznek bizonyult a természetes termékek gyors azonosítására komplex keverékekben és új természetes termékek felfedezésének segítésére; Nothias Esposito et al. arról számoltak be, hogy az MN hatékony eszköz a növényekben a specifikus metabolitok keletkezésének jellemzésére a tömegspektrometrián alapuló metabolizmusban; Kang et al. az MN-t a másodlagos metabolitok hasonló klaszterekbe történő osztályozására használta, amit a természetes termék kutatásban a célpontok szűrésére és izolálására használtak; Lei et al. MN segítségével különbségeket figyelt meg a feldolgozatlan és a feldolgozott akonit tartalmában; Tian et al. továbbá arról számolt be, hogy az MN segítségével egyértelműen megfigyelhetők a különböző fajtákból és eredetű teák kémiai összetételének különbségei, így lehetővé válik a tea minőségi és mennyiségi értékelése; A fragmentionok típusainak és a fragmentionok relatív tartalmi változásainak elemzésével következtetni lehet a természetes termékek molekuláris szerkezetének változásaira és funkcionális csoportjaik átalakulására, hogy megállapítható legyen, hogy a természetes termékek keletkeztek-e vagy átalakultak.

 

Az elmúlt néhány évben az MN-t a természetes termékek szerkezeti kutatásának egyszerűsítésére szolgáló új eszközként javasolták, és sikeresen alkalmazták a természetes termékek kémiai és aktív összetevőinek felfedezésére, elválasztására, előállítására, szerkezeti azonosítására és mennyiségi elemzésére. Az MN alkalmas a természetes termékek in vivo összetételének és metabolitjainak tanulmányozására, ami jobban megvilágíthatja farmakológiai anyagalapjukat és metabolikus folyamataikat.

Az MN segítségével a jellegzetes fragmentumionok összehasonlítása, valamint típusaik és relatív tartalmi változásuk elemzése révén következtethetünk a természetes termékek molekulaszerkezeti változásaira és funkciós csoport átalakulásaira, amelyekből következtethetünk a természetes termékek bioszintetikus útvonalaira. Az irodalomkutatás azonban azt találta, hogy nem sok vonatkozó jelentés van itthon és külföldön, ami új irányt jelenthet az MN számára a természetes termékek kutatásában.

Összefoglalva, eddig az MN-t elsősorban a természetes termékek szerkezeti azonosítására alkalmazták. Más technológiákkal kombinálva hatékony és gyors módszer a természetes termékek szerkezeti kutatására, különösen az új szerkezetek és hatóanyagok felfedezésére. Viszonylag kevés kutatás foglalkozik a metabolizmussal, a mennyiségi elemzéssel és a bioszintetikus útvonalakkal a szervezetben, ami egy olyan irány, amelyre a kutatók a jövőben összpontosíthatnak.