אנו מציגים פרוטוקול לזיהוי וכימות הרכיבים בתערובות של מינים בעלי חלבונים דומים. ספקטרומטריית מסה מזהה פפטידים לזיהוי, ונותנת כימות יחסי לפי יחסים של אזורי שיא. ככלי לזיהוי הונאה, השיטה יכולה לזהות 1% סוס בבשר בקר.
מאמר שיטה
אנו מציגים פרוטוקול לזיהוי וכימות הרכיבים בתערובות של מינים בעלי חלבונים דומים. ספקטרומטריית מסה מזהה פפטידים לזיהוי, ונותנת כימות יחסי לפי יחסים של אזורי שיא. ככלי לזיהוי הונאה, השיטה יכולה לזהות 1% סוס בבשר בקר.
אנו מתארים פרוטוקול פשוט לזיהוי וכימות של שני המרכיבים בתערובות בינאריות של מינים בעלי חלבון דומה אחד או יותר. במרכז השיטה נמצא זיהוי של 'חלבונים תואמים' במין המבוקש, במילים אחרות חלבונים שהם זהים באופן נומינלי אך בעלי הבדלי רצף ספציפיים למין. כאשר הם כפופים לפרוטאוליזה, חלבונים מתאימים יובילו לכמה פפטידים דומים גם הם אך עם גרסאות ספציפיות למין. אלה הם 'פפטידים מתאימים'. פפטידים ספציפיים למין יכולים לשמש כסמנים לקביעת מינים, בעוד שזוגות של פפטידים תואמים מאפשרים כימות יחסי של שני מינים בתערובת. הפפטידים מזוהים באמצעות ספקטרומטריית מסה של ניטור תגובה מרובה (MRM), טכניקה ספציפית ביותר המאפשרת קביעת מינים מבוססת פפטידים גם במערכות מורכבות. בנוסף, היחס בין אזורי שיא MRM הנובעים מפפטידים תואמים תומך בכימות יחסי. מכיוון שחלבונים ופפטידים מתאימים יתנהגו, בעיקר, באופן דומה הן בעיבוד והן במיצוי ניסיוני והכנת דגימה, הכימות היחסי צריך להישאר חזק יחסית. בנוסף, גישה זו אינה זקוקה לסטנדרטים ולכיולים הנדרשים בשיטות כימות מוחלטות. הפרוטוקול מתואר בהקשר של בשר אדום, שיש לו חלבונים תואמים נוחים בצורת המיוגלובין שלהם. יישום זה רלוונטי לאיתור הונאות מזון: השיטה יכולה לזהות משקל של 1% למשקל בשר סוס בבשר בקר. החלבון המתאים, כימות יחסי של פפטיד תואם (CPCP) באמצעות יחסי שטח שיא MRM נותן הערכות טובות של המשקל להרכב המשקל של תערובת סוס פלוס בקר.
שערוריית בשר הסוסים האירופית משנת 2013, שבה נמצא בשר סוסים לא מוצהר במספר מוצרי בקר בסופרמרקט1, מדגישה את הצורך בשיטות בדיקה המסוגלות לזהות ולמדוד הונאות מזון בבשר. מספר טכנולוגיות נחקרו, במיוחד בדיקת אימונוסורבנט מקושרת לאנזים (ELISA) ושיטות מבוססות DNA2. מסלול חלופי, המבוסס על ספקטרומטריית מסה, מכוון לפפטידים ספציפיים למין אשר בתורם נובעים מחלבונים ספציפיים למין. כאן אנו מתארים גישה מבוססת פפטידים כזו המציעה הן זיהוי והן כימות יחסי של המינים הנואפים בתערובת בשר3.
הפרוטוקול ממוסגר בהקשר של בשר אדום והרצון לקבוע נוכחות של אחד בשני ברמה של 1% לפי משקל, הרמה הנחשבת על ידי חלק מהאנשים כמייצגת זיוף מזון מזויף בניגוד לזיהום4. השיטה מסתמכת מלכתחילה על זיהוי חלבון שהוא 'זהה' באופן נומינלי בכל בשר היעד. מיוגלובין, החלבון האחראי לצבע האדום של הבשר, הוא מועמד טוב מכיוון שהוא שופע, עמיד יחסית לחום ומסיס במים, ושימש לקביעת מינים של בשר בעבר5,6. המיוגלובין של בשר בקר (Bos Taurus), חזיר (Sus scrofa), סוס (Equus caballus) וכבש (Ovis aries)3, למשל, זהים באופן נומינלי, כנדרש, אך הרצפים שלהם אינם זהים. קבוצות כאלה של חלבונים "דומים אך שונים", כמו ארבעת המיוגלובינים הללו, יכולות להיות מתוארות בנוחות כ"חלבונים תואמים". הבדלי הרצף בארבעת המיוגלובין הללו הם ספציפיים למין: לדוגמה, חלבוני המיוגלובין המלאים עבור בקר וסוס, P02192 ו-P68082 בהתאמה, כל אחד מהם מורכב מ-154 חומצות אמינו עם 18 הבדלי רצף בין השניים. בכפוף לפרוטאוליזה באמצעות טריפסין חלבונים אלה מייצרים שתי קבוצות של פפטידים, חלקם זהים, וחלקם מראים הבדל אחד או יותר בחומצות אמינו ספציפיות למין: חלבונים מתאימים מולידים אפוא פפטידים מתאימים.
גישת CPCP, אם כן, מבקשת תחילה לזהות חלבונים משני מינים או יותר שבהם חלבונים אלה מציגים וריאנטים מוגבלים של רצף ספציפי למין. אלה חלבונים מתאימים. לאחר פרוטאוליזה, חלבונים תואמים מולידים פפטידים, שחלקם מציגים גם גרסאות רצף ספציפיות למין שעברו בירושה מחלבון האב. אלה הם פפטידים מתאימים. ניתן להשתמש בגישת CPCP כדי להשוות רמות של שני חלבונים תואמים בדגימת מינים מעורבים על ידי ניטור רמות הפפטידים המתאימים.
הטכנולוגיה הטבעית לזיהוי פפטידים ידועים היא ספקטרומטריית מסה לניטור תגובות מרובות, או MRM-MS7. פפטידים ספציפיים למינים מניבים יוני מבשר, אשר יחד עם יוני שברי ספקטרומטריית המסה שלהם, מפורטים בקלות מראש על ידי כלי תוכנה. רשימות אלה משמשות לאחר מכן כדי להורות לספקטרומטר המסה לרשום רק מבשר ספציפי בתוספת זוגות יונים של שבר, הנקראים מעברים. פפטיד מטרה מסוים מזוהה אפוא לא רק על ידי זמן השמירה שלו בכרומטוגרפיה שלפני ספקטרומטר המסה, אלא גם על ידי קבוצה של מעברים החולקים יון מבשר משותף. זהו אמצעי סלקטיבי ביותר לאיתור פפטידים ידועים העושה שימוש יעיל במשאב ספקטרומטר המסה.
מחברים אחרים השתמשו בספקטרומטריית מסה כדי לבדוק זיוף בשר באמצעות סמני פפטיד אך מחלבונים שונים8-14. עם זאת, באמצעות החלבונים המתאימים, סכימת פפטידים תואמים (CPCP) פירושה שניתן לייעל את תנאי הניסוי, ולסייע בזיהוי המינים בתערובת ממעברים ידועים ספציפיים למין. בנוסף, חלבונים ופפטידים מתאימים יתנהגו בדרך כלל באופן דומה בשלבי המיצוי, הפרוטאוליזה והזיהוי. מכיוון שאזורי שיא המעבר הם כמותיים וניתנים לשחזור, יחסים של אזורי שיא הנובעים מזוגות של פפטידים תואמים ממינים שונים מספקים הערכה ישירה של הכמויות היחסיות של שני בשרים בתערובת. לעומת זאת, מסלולי כימות מסורתיים יותר מנצלים כיולים המבוססים על חומרי ייחוס כדי לקבוע כימות מוחלט14,15.
למרות שהפרוטוקול מתואר בהקשר של מיוגלובין ובשר, חלבונים שאינם מיוגלובין יכולים לשמש לזיהוי וכימות יחסי באמצעות אסטרטגיית CPCP בתערובות בשר, אם כי פוטנציאלית עם שינויים בפרוטוקול. בנוסף, האסטרטגיה ישימה גם לתערובות בינאריות של מינים אחרים החולקים חלבון תואם אחד או יותר.
נקודת המוצא של הפרוטוקול היא מיוגלובין 'ייחוס' מטוהר, שעבור מינים מסוימים ניתן לרכוש אך עבור אחרים יש להכין אותו על ידי כרומטוגרפיה קונבנציונלית של אי הכללת גודל. הליך הכנת מיוגלובין הייחוס אינו כלול בפרוטוקול, אך מתואר במקום אחר3. כלי תוכנה16 משמשים לרישום פפטידים מועמדים ומעברים הנובעים ממיוגלובינים מעניינים. כל מיוגלובין ייחוס נתון לפרוטאוליזה והפפטידים המתקבלים מנותחים על ידי כרומטוגרפיה נוזלית, אלקטרוספריי, יינון, ספקטרומטריית מסה טנדם (LC-ESI-MS/MS) כדי לגלות אילו מהיונים והמעברים הקודמים המועמדים הם השימושיים ביותר, וכדי לקבוע את זמני שימור הפפטידים התואמים. התוצאה של שלב זה היא רשימה מתוקנת של פפטידי מטרה עם המעבר שלהם, המתאימים לקביעת מינים, ורשימה של זוגות CPCP, המתאימים לכימות יחסי. כדי לבדוק בשר אמיתי, מכינים מיצוי דגימות ואז עוברים פרוטאוליזה כדי לייצר פפטידים הן ממיוגלובין והן מחלבונים זרים אחרים. הפפטידים מבוססי המיוגלובין מנוטרים לאחר מכן על ידי LC-ESI-MS/MS על סמך המעברים המפורטים שלהם. המינים הקיימים בתערובת מזוהים על ידי שיאי המעבר הקשורים לפפטידים של סמן. הערכות של הכמויות היחסיות של שני בשרים בתערובת בינארית מחושבות באמצעות יחסים של אזורי שיא מעבר. קבוצה של תערובות בדיקה של זוגות בשרים תאפשר לבדוק ולכייל את היחס בין שטחי השיא עבור זוג מעברים נתון מול תערובות בפועל.
1. Proteolysis וניתוח של הפניה Myoglobins
2. הכנה וניתוח דוגמאות כיול
3. דוגמאות בשר
בניסוי MRM דינמי במצב יחיד בכל מעבר מתוכנת נרשם בנפרד (כמו ספירת גלאי לכל שניות, CPS) מעל חלון זמן השמירה שצוין. לכן, מכל הנתונים שנאספו בניסוי אחד, את עוצמת השיא עבור כל מעבר ניתן לחלץ בנפרד. ואז ניתן האות הסופית רק עבור חלון שמירה המועד שנקבע מעבר. מחוץ לחלון, האות היא אפס מעצם הגדרתו. האות עבור כל מעבר אחד, למשל, 752 → 1269 מסוס (פפטיד monoisotopic המוני 1,501.66 Daltons, מבשר יון m / z 751.84 Daltons, לחייב המדינה = 2, שבר יון y 13) בדרך כלל יש להתחרות רק עם רעש המדידה ולא מן הפסגות מעבר אחרות שעשויות אולי להיות ממינים אחרים. הפלט הוא אפוא מערכת של פסגות נקיות, אחת בכל מעבר, בכל פעם החזקת משותף המעברים אלה החולקים יון מבשר משותף.
ss = "jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> איור 1 מציג את הפלט עבור קבוצה של ארבעה מעברים 752 → (1269, 706, 248, 1366) עבור תערובת של 1% w / w סוס בשר. מאז ארבעת המעברים המוצגים המשויכים סוס, והם נעדרים בדגימות של בשר בקר, כבש או חזיר טהור, הפסגות האלה מסמלים את נוכחותו של סוס. בהתאם לקריטריונים איתנים, קבוצה של שתיים או יותר מעברים כל עולה על כמה אותות שצוינו רמת רעש קובעת זיהוי. נתון זה ולכן קובע את הנוכחות של סוס בתערובת של 1% w / w סוס בשר.
לעתים, מעבר מבודד יחיד מזוהה. דבר זה מצביע על התאמת סיכוי היון מבשר ושבר יחיד, ואולי מתוך חלבון זר, עם אלה צפויים מהמערכת programed לתוך ספקטרומטר המסה. האופי הייחודי של הפסגה, התרחשותו לעבר זמן שמירה לא צפוי, הוא סיgnature של מעבר תאונתי ניתן להתעלם.
השטח מתחת שיא כל מעבר ניתן לחשב בנפרד. בהתבסס על שבר מתאים, היחס של סוס לאזורי שיא מעבר בשר, למשל, 752 → 1269 (סוס) כדי 767 → 1299 (בקר), יהיה ביחס ליחס של בשרים בפועל בתערובת. איור 2 מראה העלילה של אחוז עד אזור השיא עבור שני מעברים אלו לעומת משקל אחוז למשקל של סוס בתערובת של סוס עם בשר בקר. אם אזורי שיא אחוז המעבר להתאים את משקל האחוז עבור משקל של בשר אז השיפוע הוא 1. השיפוע בחלקה זו הוא 1.03, המעיד על כך, למעברים אלה CPCP זוג, אזורי השיא המעבר לתת מדד אמין של כמויות היחסיות של שני בשרים בתערובת. אם בשר הסוס במדגם היה כפליים עשיר מיוגלובין כמו הבשר ואז, עם גורמים אחרים ללא שינוי, השיפוע קו יהיה גדול מ.

איור 1. עוצמות המעבר MRM לעומת זמן השמירה על 1% w / w סוס בשר. המעברים הם 752 → (1269, 706, 248, 1366), המוצג כתום, שחור, כחול וירוק, בהתאמה. הפפטיד סמן הוא HPGDFGADAQGAMTK. ארבעת שברי המעבר יכול להיות מצוין y 13, y 7, y 2 ו- y 14, בהתאמה, כאשר y n מציין לספור בחומצות אמינו n מסוף בטרמינל C-peptide. האות לרעש נעה בין 23 ל 53 במהלך ארבעת המעברים. קו אדום נוסף מציין את המעבר 752 → 1269 עבור 0% סוס, 100% בשר בקר להשוואה. רק באזור שאינו אפס של זמן השמירה מוצג. נתון זה יש הבדל בין ווטסון et al. 3.es / ftp_upload / 54,420 / 54420fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2. מגרש של סוס בשר בקר, כמו אחוז משקל משקל, לעומת סוס בשר כמו אזור שיא מעבר אחוזים. העלילה משתמשת זוג בשר פפטידים (767) ואת הסוס (752) ואת יון שבר y 13 עבור שניהם. אם A מציין אזור השיא אז לתאם הוא 100 A H / (A H + A B). השיפוע של הקו בכושר הטוב ביותר (R 2 = 0.99) הוא 1.03. נתון זה יש הבדל בין ווטסון et al. 3. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הבחירה של חלבון מטרה מתאים חשובה. חלבון מטרה טוב צריך להיות צורות המקבילה מינים של עניין, וריאצית רצף מינים תלויים מספיק, סגולי מינים, ולהתקיים בכמויות נגישות בתוך אורגניזמים. להערכת תערובות שעברו עיבוד (למשל, טיפול בחום), חלבון בעל רצף יחסית חסין בפני העיבוד כי רצוי. מיוגלובין הוא מועמד טוב בשר אדום, כולל בשר אדום מבושל, אבל הוא לא האפשרות היחידה. לאחר חלבון המטרה היא החליטה, החלק הקריטי ביותר של פרוטוקול הוא proteolysis חלבון. חלבון שונה מיוגלובין עשוי לדרוש פרוטוקול proteolysis חלופי.
הפרוטוקול כמתואר כולל קטע המבוסס על חלבון מן מטוהרי התייחסות. זה שמטרתו לגלות חלון שמירת זמן ויונים מבשרים שבר מתאימים. מגזר זה מאוד עוזר אך לא הכרחי.
למרות זוגות פפטיד מקבילים משני מינים של עניין יכולים להיות רשום גם ללא ניסוי, זה לפעמים במקרה זה הבדל רצף יש השלכות דרמטיות על פרופיל העיכול. לדוגמא, זוג פפטיד VLGFHG (בקר) ו ELGFQG (סוס) לתת תוצאת quantitation האנומלי (מניפסט כמו שיפוע פחות מאחד איור 2). הסיבה לכך היא כי הפפטיד האחרון נובע מחשוף KE מורחק יחסית, גרימת אומדן חסר של רמת הסוס בתערובת. פפטידים מקבילים החל חומצות אמינו שונות ולכן נמנע הטוב ביותר. לעתים קרובות שהברים משני פפטידים מתאימים יש רצפי חומצות האמיניות זהים והם מחונכים, אבל זה לא תמיד מקרה צריך להיבדק במהלך פיתוח שיטות. זיהוי מינים הוא הרבה פחות רגישה לנושאים אלה מ quantitation יחסית.הפרוטוקול הודגם במשך ארבעה בשר אדוםים 3. מיני בשר נוספים ניתן לכלול, על פי האיכות של צורת שיא המעבר עלולה להידרדר אם פפטידים סמן רבים מדי שיתוף elute, ובכך מפחיתה ביעילות את הזמן להתעכב, ובסופו של דבר משפיל ערכות quantitation יחסית. מכשור משופר, כבר זמין, ישפר זו. סוגייה נלווית היא כי אין כל סוגי הבשר myoglobins שונים. לדוגמה, הסוס, החמור myoglobins זברה זהים ובכך מדבר השיטה בקפדנות הוא רק מסוגל לאתר סוס או חמור או זברה בשר בקר. במקרים מסוימים, למרות myoglobins אינו זהה, יכולים להיות כמה פפטידים מפתח. לדוגמא, כמה פפטידים סמנו כבש נגזרות מיוגלובין מופיעים גם עז.
סיבוך מול זה, וכל שיטת quantitation אחרת מבוסס חלבון הוא שרמת החלבון יש להניח קבועה על פני כל המינים אם רמות החלבון או הפפטיד הם משווים טריוויאלית לרמות של בשרים בתערובת. עבור מיוגלובין ואת מ 'הארבע אדוםאוכל זה לא נכון אוניוורסלי. הרמות בכלל הם מינים תלויים, עם חזיר מציגים את הרמה הנמוכה ביותר מבין הארבע. בנוסף, רמת מיוגלובין משתנית עם חתך בשר וגיל חיה. אז למרות יחס בין אזורי שיא המעבר למפות באופן מהימן ליחסים של מיוגלובין, מיפוי יחס של בשרים בפועל הוא ציור אומדן על הנחות לגבי מקורות סבירים של הבשרים בתערובת.
שהגישה המתוארת בעבודה זו שונה במספר דרכים מתרומות שפורסם אחרות. מסלול אופייני יותר הוא להשתמש בשיטות proteomic לזהות פפטידים סמנו מינים תלויים מפורד שונים, ובמקרה הסמנים עבור מינים שונים להחזיק שום קשר מסוים עם אחד 8-12,14,19 אחרת. לעומת זאת, בחרנו חלבונים המשותפים לכל המינים של עניין עד מינים תלויים רצף גרסות 3. מלבד היותו מרכזי באסטרטגיה quantitation היחסי שלנו, זה יש את היתרון כי המדגםיכולות להיות מותאמות אסטרטגיות הכנות. בנוסף, חלבונים מתאימים כזה עלולים להיות צפוי להתנהג באופן דומה, למשל, מיצוי או בעיבוד המסחרי של דגימות כגון בישול או שימורים. מיני זיהוי אז בדרך כלל ממשיך באמצעות זיהוי של פפטידים סמנו מפורד, ואילו תמורת זיהוי מיני גישת CPCP באמצעות זיהוי של פפטידים קשור קשר הדוק בעל בדרך כלל הבדלי רצף אחד או שניים. לבסוף, כדי לכמת את החלבונים להעריך את האחוז לפי משקל של מין אחד אחר שאולי כמקובל להמשיך דרך לכמת מוחלט של כל חלבון מבוסס בנפרד על סטנדרטים ידועים 7,14,15. עם זאת בשיטת CPCP אין צורך בשיטות כיול. במקום זאת, רמות יחסית נאמדות על ידי השוואת עוצמות אות של שני פפטידים מתאימים משני המינים, תוך עקיפת שלב המדידה המוחלטת לגמרי. מאחר והמטרה הסופית היא אחוז לפי משקל של אחד המינים anoיס, quantitation יחסית, אז CPCP הוא גם יותר ישירה ופשוטה יותר השוואה בין שתי מדידות quantitation מוחלטות. תכונות אלה לתרגם פעמים ניסיוניות קצרות, שצפויות להיות כשני hr תוך שימוש בפרוטוקולים מעודנים, מה שהופך את הטכניקה שימושית ככלי מעקב מהיר בתחום איתור הונאות מזון.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מכירים בתמיכה כספית מקרנות המענק האסטרטגי של המכון לחקר המזון BBSRC, פרויקט BBSRC BB/J004545/1.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| Uniprot database | www.uniprot.org | מסד נתונים נגיש באופן חופשי של רצפי חלבונים | |
| תוכנת סקייליין | www.skyline.gs.washington.edu | תוכנה חינמית להורדה המאפשרת יצירת שיטות ממוקדות למחקרים פרוטאומיים, פפטיד ומקטעים תחזית | |
| אמוניום ביקרבונט | סיגמא-אולדריץ' בע"מ, גילינגהם, בריטניה www.sigmaaldrich.com | O9830 | |
| מתנול, HPLC כיתה | פישר סיינטיפיק, לוגובורו, בריטניה www. fisher.co.uk | 10674922 | |
| אצטוניטריל, HPLC כיתה | פישר סיינטיפיק, לוגובורו, בריטניה www. fisher.co.uk | 10010010 | |
| אוריאה | סיגמא-אולדריץ' ושות' בע"מ, גילינגהם, בריטניה www.sigmaaldrich.com | U5378 | |
| טריפסין (מלבלב בקר שטופל ב- TPCK) | Sigma-Aldrich Co Ltd, Gillingham, UK www.sigmaaldrich.com | T1426 | |
| Sigma-Aldrich Co Ltd, Gillingham, UK www.sigmaaldrich.com | F0507 | ||
| Coomassie Plus Protein Assay Reagent | Thermo Fisher Scientific www.thermofisher.com | 1856210 | |
| חלבון סטנדרטי | Sigma-Aldrich Co Ltd, Gillingham, UK www.sigmaaldrich.com | P0914 | |
| Ultra Turrax homogeniser T25 | Fisher Scientific, Loughoborough, UK www. fisher.co.uk | 13190693 | |
| מעבדה אדמונד ובוהלר KS10 | |||
| Heraeus Fresco 17 צנטריפוגה | תרמו פישר www.thermoscientific.com | 75002420 | |
| צנטריפוגת ואקום RC 1022 | קורא | ||
| 8B-S100-UBJ | |||
| 4000 QTrap ספקטרומטר מסה משולש מרובע | AB Sciex, וורינגטון, בריטניה www.sciex.com | ||
| 1200 מערכת LC ברזולוציה מהירה | Agilent, Stockport, UK | ||
| XB C18 עמוד נימי הפוכה (100 מ"מ x 2.1 מ"מ, 2.6 ומיקרו; m גודל חלקיקים) | Phenomenex, Macclesfield, UK www.phenomenex.com | ||
| אנליסט 1.6.2 תוכנה | AB Sciex, Warrington, UK www.sciex.com | איסוף וניתוח נתונים של QTrap, כולל אינטגרציה של אזור שיא | |
| בקבוקוני |
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה