Применение масс-спектрометрических молекулярных сетей в изучении структур природных продуктов
Структурный анализ соединений имеет решающее значение для открытия природных продуктов, особенно для выявления материальной основы редких или ценных китайских лекарственных материалов. Однако анализ структур самых разнообразных соединений требует значительных затрат времени и рабочей силы, что является одной из самых больших проблем при определении характеристик натуральных продуктов. Поэтому для структурных исследований натуральных продуктов применяется технология масс-спектрометрической молекулярной сети.

Жидкостная хроматография с тандемной масс-спектрометрией (ЖХ-МС/МС) является одним из наиболее часто используемых аналитических методов в метаболомике, однако интерпретация этих сложных данных представляет собой серьезную проблему в исследованиях натуральных продуктов. В последние годы появление новых методов биоинформатики, таких как молекулярные сети, дало новые идеи и перспективы для распознавания известных соединений в сложных матрицах. Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) - это открытая база данных тандемной масс-спектрометрии, которая на сегодняшний день является единственной публичной основополагающей платформой, способной реализовывать молекулярные сети и анализировать наборы данных, полученных с помощью ЖХ-МС/МС. Визуализация молекулярных сетей в GNPS представляет каждый спектр как узел, а расположение спектров к спектрам - как связи между узлами. Соответствующие молекулярные спектры могут быть визуализированы в виде молекулярных сетей в GNPS в режиме онлайн. GNPS включает в себя 235850 спектров и 22644 соединения. GNPS не только позволяет идентифицировать известные соединения, аналоги и автоматически анализировать соединения в молекулярных сетях, но и обладает способностью воспроизводить, связывать и хранить вторичные масс-спектрометрические данные из нескольких источников.

Molecular networking (MN) - это платформа для организации и визуализации данных MS/MS. Каждый масс-спектр рассматривается как вектор и сравнивается со всеми другими масс-спектрами с помощью косинусного сходства. Если сходство между двумя масс-спектрами превышает пороговое значение, они соединяются в молекулярную сеть. В 2012 году профессор Питер впервые предложил технологию молекулярных сетей. Масс-спектрометрическая молекулярная сеть - это метод, основанный на тандемном масс-спектрометрическом анализе (MS/MS), подходящий для анализа различных натуральных продуктов. Его цель - быстрая идентификация известных соединений и определение различных неизвестных натуральных продуктов. Вкратце, этот метод предполагает сбор данных тандемной масс-спектрометрии и построение сети на основе сходства фрагментов. Эта технология широко применяется в таких областях, как натуральные продукты, метаболомика и открытие лекарств.

В настоящее время Тривелла и др. и Фокс Рамос и др. сообщили, что МН является высокоэффективным инструментом для быстрой идентификации натуральных продуктов в сложных смесях и помогает в открытии новых натуральных продуктов; Нотиас Эспозито и др. сообщили, что МН является эффективным инструментом для характеристики образования специфических метаболитов в растениях в метаболомике на основе масс-спектрометрии; Кан и др. использовали МН для классификации вторичных метаболитов в похожие кластеры, что было использовано в исследованиях натуральных продуктов для скрининга и выделения целей; Лей и др. наблюдали различия в содержании необработанного и обработанного аконита с помощью МН; кроме того, Tian et al. сообщили, что с помощью МН можно четко наблюдать различия в химическом составе чая разных сортов и происхождения, что позволяет проводить качественную и количественную оценку чая; анализируя типы фрагментных ионов и относительные изменения содержания фрагментных ионов, можно определить изменения в молекулярной структуре натуральных продуктов и трансформацию их функциональных групп, чтобы определить, являются ли натуральные продукты генерируемыми или трансформируемыми.

 

В последние несколько лет МН был предложен в качестве нового инструмента для упрощения структурных исследований натуральных продуктов и успешно применяется для обнаружения, разделения, получения, структурной идентификации и количественного анализа химических и активных ингредиентов в натуральных продуктах. МН подходит для изучения состава и метаболитов натуральных продуктов в естественных условиях, что позволяет лучше выяснить их фармакологическую основу и метаболические процессы.

Используя МН для сравнения характерных фрагментных ионов и анализа их типов и относительных изменений содержания, можно сделать вывод об изменениях молекулярной структуры и преобразованиях функциональных групп натуральных продуктов, что может быть использовано для вывода о путях биосинтеза натуральных продуктов. Однако изучение литературы показало, что в стране и за рубежом не так много соответствующих отчетов, что может стать новым направлением для использования МН в исследованиях натуральных продуктов.

Таким образом, до сих пор МН применялся в основном для структурной идентификации природных продуктов. В сочетании с другими технологиями это эффективный и быстрый метод структурных исследований натуральных продуктов, особенно для открытия новых структур и активных ингредиентов. Исследований метаболизма, количественного анализа и путей биосинтеза в организме относительно мало, и это направление, на котором исследователи могут сосредоточиться в будущем.