Forscher nutzen neues massenspektrometrisches Verfahren zur Analyse von Metaboliten
Deutsche und tschechische Forscher haben ein neues Verfahren zum schnellen und trotzdem umfassenden Nachweis von Metaboliten (am Stoffwechsel beteiligten Substanzen) entwickelt. Ihre Erkenntnisse wurden im Fachmagazin Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht. Die Forscher vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Deutschland und die in Prag ansässige Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik berichteten, dass die neue Methode mit der Bezeichnung MAILD (matrix-assisted ionisation/laser desorption) auf klassischer Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionisation-Time-of-Flight-Massenspektrometrie (MALDI-TOF-MS) basiert. Forscher können viele Metaboliten in biologischen Proben messen und damit effektiv den Zugriff auf gezielte und Hochdurchsatz-Metabolik ermöglichen (das Studium von globalen Metabolitprofilen in einem System [Zelle, Gewebe oder Organismus] unter einer bestimmten Bedingungskonstellation). Zu den Metaboliten gehören Aminosäuren, Fettsäuren und Zucker sowie andere organische Substanzen aus Tier- oder Pflanzengewebeproben. Insbesondere Biologen haben die Massenspektrometrie in verschiedenen Anwendungen wie der Analyse von großen Biomolekülen in den vergangenen 20 Jahren genutzt. Dem deutsch-tschechischen Team zufolge löst MALDI - die Ko-Kristallisation von Biomolekülen (also Proteinen) mit einer chemischen Substanz mit der Bezeichnung Matrix, die nachfolgend mit einem Laser bestrahlt wird - die Bildung von Protein-Ionen aus, die identifiziert und analysiert werden können. "Die Fähigkeit zum Laden riesiger Biomoleküle ohne sie auseinanderzubrechen, hat die MALDI-Massenspektrometrie zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel für biomolekulare Analyse werden lassen. Herkömmliche, empirisch ausgewählte Matrizen erzeugen viele Matrixionencluster in der massearmen Region, was die Anwendung von MALDI-MS für Metabolomik einschränkt", wie die Autoren schrieben. "Ein Ionisierungsmodus von MAILD, ein rationales Protokoll zur Matrixauswahl basierend auf dem von Brønsted und Lowry aufgestellten Säure-Base-Konzept und dessen Anwendung auf Metabolik, biologische Überprüfung/Profilierung/Bildgebung sowie klinische Diagnostik [sind] illustriert", zeigte die Forschung. "Zahlreiche Metaboliten, die wichtige Stoffwechselwege (Zitronensäurezyklus, Fettsäure- und Glucosinolat-Biosynthese) abdecken, wurden in Extrakten, biologischen Flüssigkeiten und/oder in biologischen Geweben nachgewiesen." Allerdings bemerkten die Forscher auch einen Nachteil. Wenn Matrizen im MALDI-Verfahren eingesetzt werden, erzeugt der Laserstrahl nicht nur Ionen aus den zu messenden Substanzen, sondern auch aus der Matrix entstehende massearme Ionen. "Wegen dieser störenden, interferierenden Ionen konnten wir nicht die kleinen Moleküle messen, die im Stoffwechselgeschehen von Lebewesen eine Rolle spielen", erklärte Aleš Svatoš, Leiter der Forschungsgruppe Massenspektrometrie/Proteomik am Max-Planck-Institut. "Die aus herkömmlichen Matrizen stammenden Ionen glichen einem Heuhaufen, in dem wir ein paar wichtige Nadeln finden wollten." Zur Verbesserung ihrer Suche begannen die Wissenschaftler mit der Veränderung der Matrizen, mit denen die Proben angewendet wurden, damit sie keine störenden Ionen mehr aus den Matrizen erzeugen. Dadurch könnten sie die "Nadeln" besser sichtbar machen. "In einer Blattprobe der Versuchspflanze Arabidopsis thaliana, die nur eine Kreisfläche mit einem Radius von 0,5 mm umfasste, konnten wir innerhalb von über 100 identifizierten Molekülen 46 verschiedene Stoffwechselprodukte bestimmen", berichtete der Forscher Rohit Shroff. "Erstaunlicherweise befanden sich unter insgesamt elf Zwischenprodukten acht des für die meisten Lebewesen essenziellen Zitronensäurezyklus", fügte er hinzu. Das neue MAILD-Verfahren lässt den Forschern zufolge Messungen von diversen biologischen und medizinischen Substanzen zu. Neben Pflanzen- und Insektenproben bewertete das Team auch eine klinische Probe. In einem Blutstropfen, also weniger als einen Mikroliter, konnten die Wissenschaftler eine ganze Reihe blutspezifischer organischer Säuren bestimmen. Sollte es den Wissenschaftlern gelingen, die Metabolite zu bestimmen und zu quantifizieren, könnte sich MAILD zu einer schnellen Messmethode in der medizinischen und biologischen Diagnostik entwickeln.
Länder
Tschechien, Deutschland