El conjunto completo de metabolitos que componen un organismo (sustratos, intermedios y productos finales de procesos biológicos) se acuñó en 1998 con el término metaboloma. Es bien sabido que el metaboloma está estrechamente relacionado con el fenotipo, y es de particular interés en las plantas, ya que refleja la interacción directa entre el genotipo y el medio ambiente 1,2. Por lo tanto, la caracterización del perfil metabolómico se ha vuelto de suma importancia en las plantas. A través de la identificación y cuantificación de biomarcadores (metabolitos clave) y patrones metabólicos, seha permitido la discriminación entre especies, cultivares, etapas de desarrollo, enfermedades patogénicas o condiciones ambientales (cambios diarios y estacionales, suelos, estrés hídrico, estrés mecánico, tratamientos de cosecha y poscosecha), entre otros3,4,5.
La espectrometría de masas (MS) y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) son las plataformas analíticas más utilizadas para este fin. A diferencia de las metodologías de EM, la RMN es una técnica altamente reproducible, no sesgada, cuantitativa, precisa y no destructiva que requiere una preparación mínima de la muestra, lo que la hace adecuada para estudios metabolómicos. Sin embargo, en comparación con los métodos de EM, la baja sensibilidad inherente es una limitación. En los últimos años y mediante el uso de imanes de alto campo, sondas criogénicas, dispositivos de microbobina y métodos de polarización nuclear dinámica (DNP), la sensibilidad de la RMN ha mejorado considerablemente. En el caso de este último método, por ejemplo, la ganancia de sensibilidad fue de dos a tres órdenes de magnitud 6,7. Hasta la fecha, casi el 20% de los estudios metabolómicos publicados están basados en RMN y el número está aumentando7.
A pesar de que la RMN de protones es el experimento más popular y sensible para la huella digital de la metabolómica de RMN, tiene algunos inconvenientes. En primer lugar, todas las señales de RMN de 1H detectadas en la muestra se distribuyen en una pequeña ventana correspondiente a la ventana de desplazamiento químico del protón, lo que da lugar a espectros abarrotados. En segundo lugar, el acoplamiento escalar homonuclear divide las señales en múltiples componentes (multiplicidad de señales), extendiendo la señal de protones a un rango de frecuencia más amplio, complicando aún más la lectura de los espectros al aumentar la aglomeración y la superposición de señales. Además, la metabolómica de RMN se emplea en el análisis de mezclas que generalmente contienen de 50 a 300 moléculas a una concentración observable de RMN, generando espectros complejos compuestos por 200 a 2000 picos.
La RMN de protones de desacoplamiento homonuclear, también conocida como desplazamiento puro, es un método que induce el colapso de una señal multiplete en un solo pico. Se erige como una excelente herramienta para aumentar la resolución de la señal en espectrosabarrotados 8,9,10 y, por lo tanto, representa una herramienta conveniente para la metabolómica de las plantas11.
En la última década, han surgido nuevas secuencias de pulsos Pure Shift, que aumentan tanto la sensibilidad como el rendimiento de desacoplamiento. Su gama de aplicaciones también se ha ampliado, desde la elucidación de la estructura molecular12,13, hasta la fluxómica14, la asignación de mezclas 15,16,17, las mediciones de difusión traslacional 18, la discriminación enantiomérica19, la distribución de unidades en copolímeros20, entre otras.
Históricamente, los experimentos de Broadband Pure Shift adolecen de baja sensibilidad y métodos de procesamiento complicados, lo que limita su alcance en la evaluación de extractos biológicos8. En 2014, Foroozandeh et al. publicaron un nuevo experimento de Pure Shift, PSYCHE (Pure Shift Yielded by Chirp Excitation), basado en la secuencia de pulsos anti-z-COSY que produjo un excelente desacoplamiento homonuclear y valores de sensibilidad mejorados21. Sin embargo, como PSYCHE es un experimento de interferograma 2D en el que se adquieren trozos de datos en el dominio del tiempo, sufre de artefactos periódicos de banda lateral que resultan de las distorsiones de modulación de acoplamiento J en los bordes del fragmento. En mezclas complejas, estos artefactos producen señales mayores que las asociadas con metabolitos presentes en concentraciones muy bajas, lo que dificulta el análisis11. Existen dos métodos para eliminar estos artefactos: TSE-PHYCHE22 y una modificación más reciente del experimento PSYCHE llamada SAPPHIRE-PSYCHE (Sideband Averaging by Periodic PHasa Incrementation of Residual J Evolution)23.
En 2019, demostramos por primera vez11 que el método SAPPHIRE-PSYCHE Pure Shift, que elimina artefactos casi sin penalización de sensibilidad23, podría emplearse para el análisis de mezclas biológicas complejas, como extractos de los frutos de Physalis peruviana, comúnmente conocidos como uchuvas11. Demostramos que estos métodos aumentan el rendimiento de los análisis de datos metabolómicos, como la asignación metabólica, el análisis de correlación y el análisis de coeficientes multivariados11. Desde entonces, se han abordado varios estudios metabolómicos de Pure Shift sobre diferentes matrices biológicas, como los corales blandos24, las plantas de hipérico25, la miel26,27, el té27, el aceite de menta26 y las nueces28, lo que demuestra su importancia como una nueva herramienta para el análisis metabolómico. Paradójicamente, la gran mayoría de estos estudios emplearon la secuencia de pulsos PSYCHE estándar y fácil de implementar, disponible en cualquier biblioteca de espectrómetros, en lugar de la secuencia de pulsos SAPPHIRE-PSYCHE, que ha demostrado tener un mejor rendimiento. Sin embargo, requiere una mejor comprensión de la secuencia de pulsos para una configuración adecuada.
El objetivo de este trabajo es ayudar a los nuevos usuarios a aplicar los métodos Pure Shift en el estudio de plantas, en particular, hojas de Vanilla sp (V. planifolia y V. pompona)29, tubérculos de papa (S. tuberosum)30 y uchuvas (P. peruviana)31. La preparación de la muestra, la configuración experimental de la RMN, la adquisición de datos y el análisis de los datos se describen en detalle. Además, el protocolo incluye notas clave para ayudar a los investigadores, nuevos en el campo, a configurar adecuadamente los experimentos PSYCHE y SAPPHIRE-PSYCHE en el perfil metabolómico de las plantas.