يتم إنشاء و وصف بروتوكول تعدين الجينوم الموجه قياس الطيف الكتلي هنا. وهو يستند إلى معلومات تسلسل الجينوم وتحليل LC-MS/MS ويهدف إلى تسهيل تحديد الجزيئات من المستخلصات الميكروبية والنباتية المعقدة.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
يتم إنشاء و وصف بروتوكول تعدين الجينوم الموجه قياس الطيف الكتلي هنا. وهو يستند إلى معلومات تسلسل الجينوم وتحليل LC-MS/MS ويهدف إلى تسهيل تحديد الجزيئات من المستخلصات الميكروبية والنباتية المعقدة.
المساحة الكيميائية التي تغطيها المنتجات الطبيعية هائلة وغير معترف بها على نطاق واسع. ولذلك، فإن المنهجيات الملائمة لإجراء تقييم واسع النطاق لوظائفها من حيث طبيعتها والفوائد البشرية المحتملة (مثل تطبيقات اكتشاف العقاقير) هي المنـزل. يصف هذا البروتوكول الجمع بين تعدين الجينوم (GM) والشبكات الجزيئية (MN)، وهما نهجان معاصران يطابقان التعليقات التوضيحية المشفرة العنقودية الجينية في تسلسل الجينوم الكامل مع توقيعات البنية الكيميائية من المستخلصات الأيضية الخام. هذه هي الخطوة الأولى نحو اكتشاف كيانات طبيعية جديدة. هذه المفاهيم، عند تطبيقها معا، يتم تعريفها هنا على أنها تعدين الجينوم الموجه MS. في هذه الطريقة، يتم تعيين المكونات الرئيسية مسبقًا (باستخدام MN)، وترتبط المرشحين الجدد ذات الصلة هيكلياً بالتعليقات التوضيحية لتسلسل الجينوم (باستخدام جنرال موتورز). الجمع بين جنرال موتورز وMN هو استراتيجية مربحة لاستهداف العمود الفقري جزيء جديد أو حصاد ملامح التمثيل الغذائي من أجل تحديد نظائرها من المركبات المعروفة بالفعل.
غالبًا ما تتكون تحقيقات التمثيل الغذائي الثانوي من فحص المستخلصات الخام لأنشطة بيولوجية محددة يتبعها تنقية وتحديد وتوصيف المكونات التي تنتمي إلى كسور نشطة. وقد أثبتت هذه العملية كفاءتها، مما يعزز عزل العديد من الكيانات الكيميائية. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر يعتبر هذا غير ممكن ، ويرجع ذلك أساسا إلى ارتفاع معدلات إعادة اكتشاف. وبما أن صناعة الأدوية أحدثت ثورة دون معرفة أدوار ووظائف الأيض المتخصصة، فقد تم تحديدها في ظروف مختبرية لا تمثل الطبيعة بدقة1. اليوم ، هناك فهم أفضل لتأثيرات الإشارات الطبيعية ، والإفراز ، ووجود معظم الأهداف بتركيزات منخفضة بشكل لا يمكن اكتشافه. بالإضافة إلى ذلك، سيساعد تنظيم العملية المجتمع الأكاديمي وصناعة الأدوية على الاستفادة من هذه المعرفة. كما سيفيد البحوث التي تنطوي على العزل المباشر للمستقلبات المتعلقة بمجموعات الجينات الاصطناعية البيولوجية الصامتة (BGCs)2.
وفي هذا السياق، جدد التقدم في التسلسل الجينومي الاهتمام بفرز نواتج الأيض الدقيقة. وذلك لأن تحليل المعلومات الجينومية لمجموعات التركيب الحيوي المكشوف ة يمكن أن يكشف عن الجينات ترميز المركبات الجديدة لا لوحظ أو تنتج في ظل ظروف المختبر. تتوفر العديد من مشاريع الجينوم الميكروبية الكاملة أو المسودات اليوم ، ويتزايد العدد كل عام ، مما يوفر آفاقًا هائلة للكشف عن جزيئات جديدة نشطة بيولوجيًا من خلال تعدين الجينوم3،4.
أطلس مجموعات الجينات التركيبية الحيوية هو أكبر مجموعة حالية من مجموعات الجينات الملغومة تلقائيًا كمكون من منصة الجينوم الميكروبي المتكامل لمعهد الجينوم المشترك (JGI IMG-ABC)2. وفي الآونة الأخيرة، عززت مبادرة توحيد مجموعات الجينات الاصطناعية الأحيائية الحد الأدنى من المعلومات (MIBiG) الشرح اليدوي لـ BGCs، مما يوفر مجموعة بيانات مرجعية منسقة للغاية5. في الوقت الحاضر ، تتوفر الكثير من الأدوات لتمكين التعدين الحسابي للبيانات الوراثية واتصالها بالأيض الثانوي المعروف. كما تم وضع استراتيجيات مختلفة للوصول إلى منتجات طبيعية جديدة نشطة بيولوجياً (أي التعبير غير المتجانس، وحذف الجينات المستهدفة، وإعادة التشكيل المختبري، والتسلسل الجينومي، والفحص الموجه بالنظائر [نهج جنوميسوتوبي]، والتلاعب بالمنظمين المحليين والعالميين، والتعدين القائم على الأهداف المقاومة، والتعدين المستقل للثقافة، ومؤخراً،نهجMS/code الموجهة2،6،,77،,8،9،, 10،11،12،13،14،15).
يتطلب تعدين الجينوم كاستراتيجية فريدة بذل جهود لتعليقات توضيحية لمجموعة واحدة أو صغيرة من الجزيئات. وبالتالي، لا تزال هناك ثغرات في العملية التي تعطى فيها الأولوية للمركبات الجديدة من أجل عزلها وتوضيح هيكلها. ومن حيث المبدأ، لا تستهدف هذه النهج سوى مسار واحد للتركيب الحيوي لكل تجربة، مما يؤدي إلى بطء معدل الاكتشاف. في هذا المعنى ، فإن استخدام جنرال موتورز جنبا إلى جنب مع نهج الشبكات الجزيئية يمثل تقدما هاما لبحوث المنتجات الطبيعية14،15.
إن تعدد الاستخدامات والدقة والحساسية العالية لقياس الطيف اللوني الكتلي السائل (LC-MS) يجعلها طريقة جيدة لتحديد المركب. حاليا، وقد استثمرت العديد من المنصات الخوارزميات وأجنحة البرمجيات لmetabolomics غير المستهدفة16،,17،,18،,19، 20,20. يتضمن جوهر هذه البرامج اكتشاف الميزات (ذروة الانتقاء)21 ومحاذاة الذروة ، مما يسمح بمطابقة الميزات المتطابقة عبر مجموعة من العينات والبحث عن الأنماط. الخوارزميات المستندة إلى نمط MS22،23 مقارنة أنماط التجزئة المميزة وتطابق أوجه التشابه MS2 التي تولد العائلات الجزيئية التي تشترك في الميزات الهيكلية. ويمكن بعد ذلك تسليط الضوء على هذه الميزات وتتجمع، ومنح القدرة على اكتشاف بسرعة جزيئات2معروفة وغير معروفة من استخراج البيولوجية المعقدة من قبل MS جنبا إلى جنب2،24،,25. ولذلك، فإن التصلب المتعدد المترادف هو طريقة متعددة الاستخدامات للحصول على معلومات هيكلية عن العديد من الأنماط الكيميائية الواردة في كمية كبيرة من البيانات في وقت واحد.
تستخدم خوارزمية الشبكات الجزيئية الاجتماعية للمنتجات الطبيعية العالمية (GNPS)26 كثافة الأيونات المجزأة العادية لبناء ناقلات متعددة الأبعاد ، حيث تتم مقارنة أوجه التشابه باستخدام وظيفة جيب الجيب. يتم رسم العلاقة بين الأيونات الأصلية المختلفة في تمثيل مخطط، حيث يتم تصور كل تجزئة كعقدة (دوائر)، ويتم تعريف الصلة بين كل عقدة بواسطة حافة (خطوط). يتم تعريف التصور العالمي للجزيئات من مصدر واحد كشبكة جزيئية. الجزيئات المتباينة هيكليا التي تتفتت بشكل فريد ستشكل مجموعة خاصة بهم أو كوكبة، في حين أن الجزيئات ذات الصلة تتجمع معا. يسمح الأنماط الكيميائية العنقودية باتصال افتراضي من الميزات الهيكلية المماثلة لأصولها التركيبية الحيوية.
الجمع بين كل من النمط الكيميائي إلى النمط الجيني ونهج النمط الجيني إلى النمط الكيميائي هو قوي عند إنشاء روابط المعلوماتية الحيوية بين BGCs ومنتجاتها جزيء صغير27. ولذلك، فإن تعدين الجينوم الموجه بالتصلب المتعدد هو طريقة سريعة واستراتيجية منخفضة الاستهلاك للمواد، ويساعد على سد الأيون اتّصال الوالدين والمسارات الاصطناعية الحيوية التي كشفت عنها WGS لسلالة واحدة أو أكثر في ظل ظروف استقلابية وبيئية متنوعة.
سير العمل من هذا البروتوكول(الشكل 1)يتكون من تغذية البيانات WGS في منصة الشرح الكتلة الجينية الاصطناعية مثل antiSMASH28،29،30. فهو يساعد على تقدير مجموعة متنوعة من المركبات وفئة من المركبات المشفرة من قبل الجينوم. يجب اعتماد استراتيجية لاستهداف مجموعة الجينات الاصطناعية الحيوية ترميز كيان كيميائي ذات فائدة، ومقتطفات الثقافة من سلالة نوع البرية و / أو سلالة غير متجانسة تحتوي على BGC يمكن تحليلها لتوليد الأيونات المجمعة على أساس أوجه التشابه باستخدام GNPS26،31. وبالتالي، فمن الممكن تحديد جزيئات جديدة ترتبط بـ BGC المستهدفة وغير متوفرة في قاعدة البيانات (نظائرها غير معروفة بشكل رئيسي، وتنتج في بعض الأحيان في تاتر منخفضة). ومن المهم النظر في أن المستخدمين يمكن أن تسهم في هذه المنصات وأن توافر المعلوماتية الحيوية وبيانات MS / MS يتزايد بسرعة ، مما يؤدي إلى تطوير مستمر ورفع مستوى الأدوات الحسابية الفعالة والخوارزميات لتوجيه اتصالات فعالة من مقتطفات معقدة مع الجزيئات.

الشكل 1: نظرة عامة على سير العمل بأكمله. يُظهر هذا الشكل توضيحًا لخطوات المعلوماتية الحيوية والاستنساخ والشبكات الجزيئية التي تنطوي عليها نهج تعدين الجينوم الموجه بالتصلب المتعدد الموصوف لتحديد الأيض الجديدة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يصف هذا البروتوكول سير العمل السريع والفعال للجمع بين تعدين الجينوم والشبكات الجزيئية كنقطة انطلاق لخط أنابيب اكتشاف المنتج الطبيعي. على الرغم من أن العديد من التطبيقات قادرة على تصور تكوين وعلاقة الجزيئات التي يمكن اكتشافها بالتصلب المتعدد في شبكة واحدة ، يتم اعتماد العديد منها هنا لتصور جزيئات مجمعة متشابهة هيكلياً. باستخدام هذه الاستراتيجية، يتم تحديد منتجات سيكلوبسيبتيد الرواية التي لوحظت في المستخلصات الأيضية من Streptomyces sp. CBMAI 2042 بنجاح. تسترشد التعدين الجينوم، يتم التعرف على كامل ترميز الكتلة الجينية الاصطناعية الحيوية لفالينوميسين واستنساخها في سلالة المنتج Streptomyces coelicolor M1146. وأخيراً، وبعد إقامة الشبكات الجزيئية القائمة على نمط MS، ترتبط الجزيئات التي تم اكتشافها بواسطة التصلب المتعدد بـ BGCs المسؤولة عن تكوينها الحيوي32.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1- تعدين الجينوم لمجموعات الجينات الاصطناعية الأحيائية

الشكل 2: الإخراج من منصة antiSMASH. التمثيل الغذائي الثانوي في تحليل silico من تعليق تسلسل الجينوم كله. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. التعبير غير المتجانس عن مجموعة الجينات الاصطناعية الحيوية الكاملة من مكتبة ESAC
3. العقديات/E. اقتران القولون
4- زراعة السلالة
5 - اكتساب أطياف الكتلة والإعداد لتحليل الناتج القومي الإجمالي

الشكل 3: استخدام MsConvert لتحويل ملفات MS إلى ملحق mzXML. يتم عرض المعلمة الصحيحة لتحليل GNPS. الإرشادات هي كما يلي: إضافة كافة ملفات MS في المربع 1 وإضافة تصفية بيك بيك الذروة في المربع 2; لهذا المرشح، استخدم بائع الخوارزمية؛ اضغط على بداية وعمليات التحويل ستتبع. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
6 - تحليل الناتج القومي الإجمالي

الشكل 4: استخدام منصة GNPS عبر الإنترنت لإجراء تحليل الشبكة الجزيئية. يتم اختيار ملفات mzXML بالنقر في المربع 1. في مربع الحوار المفتوح، يمكن تحديد الملفات من مجلد شخصي (الإطار 2) أو تحميلها في علامة التبويب الثانية باستخدام رافع ملفات السحب والإفلات (أقل من 20 ميغابايت). يمكن تجميع الملفات في ما يصل إلى ست مجموعات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: استخدام الناتج القومي الإجمالي لإجراء تحليل الشبكة الجزيئية (خيارات متقدمة). سوف Min Pair Cos تؤثر بشكل مباشر على حجم الكتل، حيث ستؤدي القيم العالية إلى الجمع بين المركبات ذات الصلة الوثيقة والقيم المنخفضة في الجمع بين المركبات ذات الصلة عن بعد. يجب تجنب استخدام القيم المنخفضة جداً. يمثل الحد الأدنى من الأجزاء المتطابقة عدد الأجزاء المشتركة بين أطياف تجزئة اثنين يتم ربطها في الشبكة. معاً، كل من المعلمات توجيه تنسيق الشبكة; القيم المنخفضة سوف تتجمع أكثر المركبات ذات الصلة عن بعد والعكس بالعكس. استخدام القيم المناسبة سوف تساعد كثيرا توضيح المركب. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
7 - تحليل نتائج الناتج القومي الإجمالي

الشكل 6: استخدام الناتج القومي الإجمالي لتصور نتائج الشبكة الجزيئية. ويمكن رؤية جميع المجموعات المركبة ذات الصلة في عرض الأسر الطيفية (مربع أحمر). لتصور عدد مرات مشاهدة المكتبة فقط، يجب تحديد "عرض كافة الزيارات للمكتبة" (المربع الأزرق). للحصول على تمثيل رسومي أفضل لنتائج الشبكة الجزيئية ، يجب تنزيل "معاينة Cytoscape المباشرة" (المربع الأصفر) ، ويجب استخدام أحدث إصدار من Cytoscape. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: استخدام الناتج القومي الإجمالي لتصور نتائج الكتلة الجزيئية. بعد فتح المجموعات الجزيئية لتصور أفضل للبيانات، يجب اختيار ما يلي: "كتلة الأصل" كتسميات عقدة (مربع أحمر)؛ "DeltaMZ" كتسميات حافة (مربع أصفر)؛ و "رسم الفطائر" كما لون العقدة (مربع أزرق). التنقل من خلال الكتلة الجزيئية ومحاولة لتعليقات توضيحية جميع العقد. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وقد تجسد البروتوكول بنجاح باستخدام مزيج من تعدين الجينوم، والتعبير غير المتجانس، ونهج التعليمات الموجهة بالتصلب المتعدد/الشفرة للوصول إلى جزيئات نظائرها المتخصصة الجديدة. يتم تمثيل سير عمل الجينوم إلى الجزيء للهدف ، فالينوميسين (VLM) ، في الشكل 8. تم تحليل Streptomyces sp. CBMAI 2042 مشروع الجينوم في silico، ثم تم تحديد الكتلة الجينية VLM ونقلها إلى مضيف غير ياللوغوس. وزرعت سلالات من النوع الهيتيروغلوج والبري في ثلاثة توائم باستخدام ظروف التخمير المناسبة، مقسمة مع خلات الإيثيل، وترك...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الميزة الأقوى لهذا البروتوكول هي قدرته على إزالة الملامح الأيضية بسرعة وجسر المعلومات الجينومية مع بيانات التصلب المتعدد من أجل توضيح هياكل الجزيئات الجديدة ، وخاصة نظائرها الهيكلية2. واستناداً إلى المعلومات الجينية، يمكن تحري الأنماط الكيميائية للمنتجات الطبيعية المختلفة، مثل البوليكيتتيدات (PK)، والببتيدات غير الخاضعة للرب (NRP)، والمنتجات الطبيعية الجليكوزية (GNP)، وكذلك BGCs. وهكذا، يمكن استنساخ BGC لتوجيه إنتاج مركب جديد أو نظائرها غير معروفة تتعلق BGC معروفة بالفعل، التي تيسرها أوجه التشابه ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
تم تقديم الدعم المالي لهذه الدراسة من قبل مؤسسة ساو باولو للأبحاث - FAPESP (2019/10564-5، 2014/12727-5 و2014/50249-8 إلى L.G.O؛ 2013/12598-8 و 2015/01013-4 إلى R.S.؛ و 2019/08853-9 إلى C.F.F.A). حصلت شركة B.S.P وC.F.F.A. و L.G.O. على زمالات من المجلس الوطني للتنمية العلمية والتكنولوجية - CNPq (205729/2018-5 و 162191/2015-4 و 313492/2017-4). كما أن L.G.O. ممتنة للدعم المقدم من المنح ة من قبل برنامج المرأة في العلوم (2008، الطبعة البرازيلية). جميع المؤلفين يعترفون بـ CAPES (التنسيق لتحسين موظفي التعليم العالي) لدعمبرامج ما بعد التخرج في البرازيل.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| أسيتونيتريل | تيديا | AA1120-048 | HPLC الصف |
| أجار | أكسويد | LP0011 | NA |
| أبراميسين | سيجما ألدريتش | A2024 | NA |
| Carbenicillin | Sigma Aldrich | C9231 | NA |
| أجهزة الطرد المركزي | Eppendorf | NA | 5804 |
| Chloramphenicol | Sigma Aldrich | C3175 | NA |
| العمود C18 | Agilent Technologies | NA | ZORBAX RRHD Extend-C18 ، 80 & Aring ؛ 2.1 × 50 مم ، 1.8 & micro ؛ م ، 1200 بار حد الضغط P / N 757700-902 |
| Kanamycin | Sigma Aldrich | K1377 | NA |
| Manitol P.A.- A.C.S. | Synth | NA | NA |
| Microcentrifuge | Eppendorf | NA | 5418 |
| Nalidixic acid | Sigma Aldrich | N4382 | NA |
| Phusion Flash High-Fidelity PCR Master Mix | ThermoFisher Scientific | F548S | NA |
| Q-TOF مطياف الكتلة | تقنيات Agilent | NA | 6550 iFunnel Q-TOF LC / MS |
| Sacarose P.A.- A.C.S. | موالفة | NA | NA |
| شاكر / حاضنة | Marconi | MA420 | NA |
| كلوريد الصوديوم | موالفة | NA | P. A. - |
| ACS مستخلص الصويا | NA | NA | NA |
| السكروز | سينث | NA | P. A. - ACS |
| الدورات الحرارية | Eppendorf | NA | Mastercycler Nexus Gradient |
| Thiostrepton | Sigma ألدريتش | T8902 | NA |
| تريبتون | أكسويد | LP0042 | NA |
| تريبتون مرق الصويا | أكسويد | CM0129 | NA |
| UPLC | Agilent Technologies | NA | 1290 Infinity LC System |
| مستخلص الخميرة | Oxoid | LP0021 | NA |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.