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La sintesi delle proteine prive di cellule (CFPS) è una piattaforma promettente per la produzione di proteine e sostanze chimiche, un'applicazione tradizionalmente riservata alle cellule viventi. I sistemi senza cellule sono derivati da estratti di cellule grezze ed eliminano le complicazioni associate alla crescita cellulare1. Inoltre, CFPS consente l'accesso diretto ai metaboliti e ai macchinari biosintetici senza l'interferenza di una parete cellulare. Tuttavia, è stata carente una comprensione fondamentale dei limiti di prestazioni dei processi senza cellule. I metodi ad alta produttività per la quantificazione dei metaboliti sono preziosi per la caratterizzazione del metabolismo e sono fondamentali per la costruzione di modelli metabolici computazionali2,3,4. I metodi più comuni utilizzati per determinare le concentrazioni di metaboliti includono la risonanza magnetica nucleare (NMR), la spettroscopia a infrarossi a infrarossi di Fourier (FT-IR), i saggi basati su enzimi e la spettrometria di massa (MS)5,6,7 ,8. Tuttavia, questi metodi sono spesso limitati dalla loro incapacità di misurare in modo efficiente più composti contemporaneamente e spesso richiedono una dimensione del campione maggiore rispetto alle tipiche reazioni senza cellule. Ad esempio, i saggi basati su enzimi spesso possono essere utilizzati solo per quantificare un singolo composto in una corsa e sono limitati quando la dimensione del campione è piccola, ad esempio nelle reazioni di sintesi proteica priva di cellule (tipicamente eseguite su una scala 10-15). Nel frattempo, NMR richiede un'elevata abbondanza di metaboliti per il rilevamento e la quantificazione5. Verso queste carenze, i metodi di cromatografia in tandem con la spettrometria di massa (LC/MS) offrono diversi vantaggi, tra cui l'elevata sensibilità e la capacità di misurare più specie contemporaneamente9; tuttavia, la complessità analitica aumenta considerevolmente con il numero e la diversità delle specie misurate. È quindi importante sviluppare metodi in grado di realizzare appieno il potenziale ad alta produttività dei sistemi LC/MS. I composti in un campione sono separati dalla cromatografia liquida e identificati attraverso la spettrometria di massa. Il segnale del composto dipende dalla sua efficienza di concentrazione e ionizzazione, dove la ionizzazione può variare tra i composti e può anche dipendere dalla matrice del campione.
Raggiungere la stessa efficienza di ionizzazione tra il campione e gli standard è una sfida quando si utilizza LC/MS per quantificare gli analiti. Inoltre, la quantificazione diventa più impegnativa con la diversità dei metaboliti a causa della divisione del segnale e dell'eterogeneità nell'affinità protonica e nella polarità10. Infine, la matrice di co-eluting del campione può anche influenzare l'efficienza della ionizzazione dei composti. Per risolvere questi problemi, i metaboliti possono essere derivati chimicamente, aumentando la risoluzione di separazione e la sensibilità da parte dei sistemi LC/MS, riducendo contemporaneamente la suddivisione del segnale in alcuni casi10,11. La derivazione chimica funziona etichettando specifici gruppi funzionali di metaboliti per regolare le loro proprietà fisiche come carica o idrofobicità per aumentare l'efficienza di ionizzazione11. Vari agenti di etichettatura possono essere utilizzati per indirizzare diversi gruppi funzionali (ad esempio, ammine, idrossidi, fosfati, acidi carboxylici, ecc.). Aniline, uno di questi agenti di derivazione, si rivolge a più gruppi funzionali contemporaneamente, e aggiunge un componente idrofobico in molecole idrofile, aumentando così la loro risoluzione di separazione e il segnale12. Per affrontare l'effetto di soppressione degli ioni a matrice co-elutazione, Yang e i colleghi hanno sviluppato una tecnica basata sull'etichettatura GSIST (Group Specific Internal Standard Technology) in cui gli standard sono contrassegnati con isotopi di anilinea 13C e mescolati con il campione 12,13. Il metabolita e il corrispondente standard interno hanno la stessa efficienza di ionizzazione dal momento che co-eluito, e il loro rapporto di intensità può essere utilizzato per quantificare la concentrazione nel campione sperimentale.
In questo studio, abbiamo sviluppato un protocollo per rilevare e quantificare 40 composti coinvolti nella glicolisi, la via del fosfato pentosi, il ciclo dell'acido tricarboxyillico, il metabolismo energetico e la rigenerazione del cofattore nelle reazioni CFPS. Il metodo si basa sull'approccio GSIST, dove abbiamo usato 12C-anilina e 13C-anilina per etichettare, rilevare e quantificare i metaboliti utilizzando LC/MS in fase invertita. La gamma lineare di tutti i composti si estendeva su 2-3 ordini di grandezza con un coefficiente di correlazione medio di 0,988. Così, il metodo è un approccio robusto e preciso per interrogare il metabolismo senza cellule, e possibilmente estratti interi cellulari.