Die Gesamtheit der Metaboliten, aus denen ein Organismus besteht - Substrate, Zwischenprodukte und Endprodukte biologischer Prozesse - wurde 1998 mit dem Begriff Metabolom geprägt. Es ist allgemein bekannt, dass das Metabolom eng mit dem Phänotyp verwandt ist, und es ist für Pflanzen von besonderem Interesse, da es die direkte Wechselwirkung zwischen dem Genotyp und der Umwelt widerspiegelt 1,2. Daher ist die Charakterisierung des metabolomischen Profils bei Pflanzen von größter Bedeutung geworden. Durch die Identifizierung und Quantifizierung von Biomarkern (Schlüsselmetaboliten) und Stoffwechselmustern war die Unterscheidung zwischen Arten, Sorten, Entwicklungsstadien, pathogenen Krankheiten oder Umweltbedingungen (tägliche und saisonale Veränderungen, Böden, Wasserstress, mechanischer Stress, Ernte- und Nacherntebehandlungen) möglich 3,4,5.
Die Massenspektrometrie (MS) und die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) sind die am weitesten verbreiteten analytischen Plattformen für diesen Zweck. Im Gegensatz zu MS-Methoden ist die NMR eine hochgradig reproduzierbare, unverzerrte, quantitative, genaue und zerstörungsfreie Technik, die nur eine minimale Probenvorbereitung erfordert und daher für Metabolomik-Studien geeignet ist. Im Vergleich zu MS-Methoden stellt jedoch die inhärent geringe Sensitivität eine Einschränkung dar. In den letzten Jahren und durch den Einsatz von Hochfeldmagneten, kryogenen Sonden, Mikrospulen und Methoden der dynamischen Kernpolarisation (DNP) wurde die Empfindlichkeit der NMR stark verbessert. Im Falle des letztgenannten Ansatzes lag der Sensitivitätsgewinn beispielsweise in der Größenordnung vonzwei bis drei Größenordnungen 6,7. Bis heute sind fast 20% der veröffentlichten Metabolomik-Studien NMR-basiert, Tendenzsteigend 7.
Obwohl die Protonen-NMR das beliebteste und empfindlichste Experiment für das NMR-Metabolomik-Fingerabdruck ist, hat es einige Nachteile. Zunächst werden alle inder Probe detektierten 1H-NMR-Signale in einem kleinen Fenster verteilt, das dem chemischen Verschiebungsfenster der Protonen entspricht, was zu überfüllten Spektren führt. Zweitens spaltet die homonukleare skalare Kopplung die Signale in mehrere Komponenten auf (Signalvielfalt), wodurch das Protonensignal über einen breiteren Frequenzbereich verteilt wird, was die Spektrenlesung durch zunehmende Überfüllung und Signalüberlappung weiter erschwert. Darüber hinaus wird die NMR-Metabolomik bei der Analyse von Gemischen eingesetzt, die in der Regel 50 bis 300 Moleküle bei einer beobachtbaren NMR-Konzentration enthalten, wodurch komplexe Spektren aus 200 bis 2000 Peaks erzeugt werden.
Die homonukleare Entkopplungsprotonen-NMR, auch bekannt als Pure Shift, ist eine Methode, die den Kollaps eines Multiplett-Signals in einen einzigen Peak induziert. Es stellt ein hervorragendes Werkzeug zur Erhöhung der Signalauflösung in überfüllten Spektren 8,9,10 dar und stellt daher ein geeignetes Werkzeug für die Metabolomik von Pflanzendar 11.
In den letzten zehn Jahren sind neue Pure Shift-Pulssequenzen entstanden, die sowohl die Empfindlichkeit als auch die Entkopplungsleistung erhöhen. Auch ihr Anwendungsspektrum hat sich erweitert, unter anderem von der Molekularstrukturaufklärung12,13 über die Fluxomik14, die Mischungszuordnung 15,16,17, die translationale Diffusionsmessung18, die enantiomere Diskriminierung 19 bis hin zur Einheitenverteilung in Copolymeren20.
In der Vergangenheit litten Breitband-Pure-Shift-Experimente unter geringer Sensitivität und komplizierten Verarbeitungsmethoden, was ihren Anwendungsbereich bei der Bewertung biologischer Extrakte einschränkte8. Im Jahr 2014 veröffentlichten Foroozandeh et al. ein neues Pure-Shift-Experiment, PSYCHE (Pure Shift Yielded by Chirp Excitation), das auf einer anti-z-COSY-Pulssequenz basierte, die eine hervorragende homonukleäre Entkopplung und verbesserte Empfindlichkeitswerte ergab21. Da es sich bei PSYCHE jedoch um ein 2D-Interferogramm-Experiment handelt, bei dem Blöcke von Zeitbereichsdaten erfasst werden, leidet es unter periodischen Seitenbandartefakten, die aus J-Kopplungsmodulationsverzerrungen an den Rändern des Chunks resultieren. In komplexen Gemischen liefern diese Artefakte Signale, die größer sind als diejenigen, die mit Metaboliten in sehr niedrigen Konzentrationen verbunden sind, was die Analyse behindert11. Es gibt zwei Methoden, um diese Artefakte zu entfernen - TSE-PHYCHE22 und eine neuere Modifikation des PSYCHE-Experiments namens SAPPHIRE-PSYCHE (Sideband Averaging by Periodic PHase Incrementation of Residual J Evolution)23.
Im Jahr 2019 haben wir zum ersten Malgezeigt 11, dass die SAPPHIRE-PSYCHE Pure Shift-Methode, die Artefakte fast ohne Sensitivitätseinbußen23 entfernt, für die Analyse komplexer biologischer Gemische eingesetzt werden kann, wie z. B. Extrakte aus den Früchten von Physalis peruviana, allgemein bekannt als Kapstachelbeeren11. Wir zeigten, dass diese Methoden die Leistung von Metabolomik-Datenanalysen wie der metabolischen Zuordnung, der Korrelationsanalyse und der multivariaten Koeffizientenanalyse11 erhöhen. Seitdem wurden mehrere Pure Shift-Metabolomik-Studien an verschiedenen biologischen Matrices wie Weichkorallen24, Hypericum-Pflanzen25, Honig26,27, Tee27, Pfefferminzöl26 und Walnüssen28 durchgeführt, was seine Bedeutung als neues Werkzeug für die Metabolomik-Analyse zeigt. Paradoxerweise wurde bei der überwiegenden Mehrheit dieser Studien die standardmäßige und einfach zu implementierende PSYCHE-Pulssequenz verwendet, die in jeder Spektrometerbibliothek verfügbar ist, anstelle der SAPPHIRE-PSYCHE-Pulssequenz, die sich als leistungsfähiger erwiesen hat. Für die richtige Einrichtung ist jedoch ein besseres Verständnis der Impulssequenz erforderlich.
Diese Arbeit soll neuen Anwendern helfen, Pure-Shift-Methoden bei der Untersuchung von Pflanzen anzuwenden, insbesondere von Blättern von Vanilla sp (V. planifolia und V. pompona)29, Kartoffelknollen (S. tuberosum)30 und Kapstachelbeeren (P. peruviana)31. Die Probenvorbereitung, der Aufbau des NMR-Experiments, die Datenerfassung und die Datenanalyse werden ausführlich beschrieben. Darüber hinaus enthält das Protokoll wichtige Hinweise, die Forschern, die neu auf diesem Gebiet sind, helfen sollen, PSYCHE- und SAPPHIRE-PSYCHE-Experimente zur Erstellung von metabolomischen Profilen von Pflanzen richtig einzurichten.