$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
La síntesis de proteínas sin células (CFPS) es una plataforma prometedora para la fabricación de proteínas y productos químicos, una aplicación que tradicionalmente se ha reservado para células vivas. Los sistemas libres de células se derivan de extractos de células brutas y eliminan las complicaciones asociadas con el crecimiento celular1. Además, CFPS permite el acceso directo a metabolitos y la maquinaria biosintética sin la interferencia de una pared celular. Sin embargo, se ha escaso una comprensión fundamental de los límites de rendimiento de los procesos sin células. Los métodos de alto rendimiento para la cuantificación de metabolitos son valiosos para la caracterización del metabolismo y son críticos para la construcción de modelos computacionales metabólicos2,3,4. Los métodos comunes utilizados para determinar las concentraciones de metabolitos incluyen resonancia magnética nuclear (RMN), espectroscopia de infrarrojo sórdida transformación de Fourier (FT-IR), ensayos basados en enzimas y espectrometría de masas (MS)5,6,7 ,8. Sin embargo, estos métodos a menudo están limitados por su incapacidad para medir eficientemente múltiples compuestos a la vez y a menudo requieren un tamaño de muestra mayor que las reacciones típicas libres de células. Por ejemplo, los ensayos basados en enzimas a menudo solo se pueden utilizar para cuantificar un solo compuesto en una carrera, y son limitados cuando el tamaño de la muestra es pequeño, como en las reacciones de síntesis de proteínas libres de células (normalmente se ejecutan en una escala de 10-15 l). Mientras tanto, la RMN requiere una gran abundancia de metabolitos para la detección y cuantificación5. Hacia estas deficiencias, los métodos de cromatografía en conjunto con la espectrometría de masas (LC/MS) proporcionan varias ventajas, incluyendo alta sensibilidad y la capacidad de medir múltiples especies simultáneamente9; sin embargo, la complejidad analítica aumenta considerablemente con el número y la diversidad de especies que se miden. Por lo tanto, es importante desarrollar métodos que se den cuenta plenamente del potencial de alto rendimiento de los sistemas LC/MS. Los compuestos de una muestra se separan mediante cromatografía líquida y se identifican mediante espectrometría de masas. La señal del compuesto depende de su concentración y eficiencia de ionización, donde la ionización puede variar entre compuestos y también puede depender de la matriz de muestra.
Lograr la misma eficiencia de ionización entre la muestra y los estándares es un desafío cuando se utiliza LC/MS para cuantificar analitos. Además, la cuantificación se vuelve más difícil con la diversidad de metabolitos debido a la división de señales y la heterogeneidad en la afinidad de protones y la polaridad10. Por último, la matriz de co-elución de la muestra también puede afectar a las eficiencias de ionización de los compuestos. Para abordar estos problemas, los metabolitos pueden ser derivados químicamente, aumentando la resolución de separación y la sensibilidad de los sistemas LC/MS, al mismo tiempo que disminuyen la división de señal en algunos casos10,11. La derivación química funciona etiquetando grupos funcionales específicos de metabolitos para ajustar sus propiedades físicas como la carga o la hidrofobicidad para aumentar la eficiencia de la ionización11. Se pueden utilizar varios agentes de etiquetado para dirigirse a diferentes grupos funcionales (por ejemplo, aminas, hidroxilo, fosfatos, ácidos carboxílicos, etc.). Aniline, uno de estos agentes de derivación, se dirige a múltiples grupos funcionales a la vez, y añade un componente hidrófobo en moléculas hidrófilas, aumentando así su resolución de separación y señal12. Para abordar el efecto de supresión de iones de matriz de elución conjunta, Yang y sus compañeros de trabajo desarrollaron una técnica basada en el etiquetado de la Tecnología Estándar Interna Específica del Grupo (GSIST) donde los estándares están etiquetados con 13isótopos de anilina C y se mezclan con la muestra 12,13. El metabolito y el estándar interno correspondiente tienen la misma eficiencia de ionización, ya que co-eluto, y su relación de intensidad se puede utilizar para cuantificar la concentración en la muestra experimental.
En este estudio, desarrollamos un protocolo para detectar y cuantificar 40 compuestos involucrados en la glucólisis, la vía del fosfato de pentosa, el ciclo del ácido tricarboxílico, el metabolismo energético y la regeneración cofactorente en las reacciones de CFPS. El método se basa en el enfoque GSIST, donde usamos 12C-anilina y 13C-anilina para etiquetar, detectar y cuantificar metabolitos utilizando LC/MS de fase inversa. El rango lineal de todos los compuestos abarcó 2-3 órdenes de magnitud con un coeficiente de correlación promedio de 0.988. Por lo tanto, el método es un enfoque robusto y preciso para interrogar el metabolismo libre de células, y posiblemente extractos de células enteras.