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GCMS+多組學(xué)軟件包高效開展合成生物學(xué)代謝途徑分析
合成生物學(xué)領(lǐng)域是備受關(guān)注的新興領(lǐng)域。通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物系統(tǒng)，或者改造現(xiàn)有的生物系統(tǒng)，合成生物技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生物體的功能改造和新功能的創(chuàng)造。合成生物學(xué)在醫(yī)藥領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。通過合成基因組和基因編輯技術(shù)，設(shè)計(jì)特定的藥物合成途徑，并改造微生物，使其能夠高效地生產(chǎn)藥物及中間體。這對(duì)于藥物開發(fā)和生產(chǎn)具有重要意義。
代謝工程是合成生物學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過改造細(xì)胞的代謝途徑來生產(chǎn)特定的化合物是合成生物工業(yè)應(yīng)用于藥物合成的重要路徑。代謝組學(xué)技術(shù)能夠有效應(yīng)用于合成生物技術(shù)的“測試”環(huán)節(jié)，進(jìn)行代謝環(huán)節(jié)監(jiān)測與表征。代謝途徑分析需要大量的數(shù)據(jù)處理和專業(yè)知識(shí)及技能，因此分析軟件包的支持是不可少的。
這里我們使用了自動(dòng)預(yù)處理系統(tǒng)SPL-M100+GCMS-TQ8040 NX測量細(xì)菌細(xì)胞和培養(yǎng)基上清液中的代謝物(Fig.1)，然后使用多組學(xué)分析軟件包（Multi-omics analysis package）進(jìn)行代謝途徑分析。
Fig.1 SPL-M100+GCMS-TQ8040 NX
為了從乙酰輔酶A中生產(chǎn)小分子藥物原料的前體 苔色酸，我們對(duì)質(zhì)粒轉(zhuǎn)染的3株大腸桿菌BL21 (DE3)的細(xì)胞培養(yǎng)上清液進(jìn)行了監(jiān)測分析。(Fig.2)
Fig.2 苔黑酚合酶（ORS）和環(huán)化酶的代謝途徑
(通過引入OAC酶，靶向形成小分子藥物材料的前體苔色酸)
樣品制備按照SPL-M100的標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行，GC-MS采用多反應(yīng)監(jiān)測(Multiple Reaction Monitoring, MRM)作為數(shù)據(jù)采集方式，在23分鐘的分析時(shí)間內(nèi)同時(shí)測量氨基酸、核酸、脂肪酸、有機(jī)酸等504種組分(表1)。
表1 分析條件
當(dāng)對(duì)培養(yǎng)12、24和48小時(shí)的3個(gè)樣品中的每個(gè)樣品測量n=3時(shí)，每個(gè)樣品中檢測到大約400種化合物。樣品3中苔色酸的產(chǎn)量最高（Fig.3）。這表明通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)染樣品3中的Z基因?qū)μι岬漠a(chǎn)量很重要。然而，12小時(shí)后，樣品3細(xì)胞中苔色酸的積累明顯減少。由于上清液比細(xì)胞含有更多的苔色酸，并且上清液在12小時(shí)后沒有減少，因此有可能苔色酸從細(xì)胞中洗脫到上清液中?；蛘呓?jīng)一定濃度和時(shí)間后，苔色酸可以形成聚合物。
Fig.3 比較三種樣品不同時(shí)間過程的代謝途徑
Fig.4 樣品3細(xì)胞中苔色酸的色譜圖
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