$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Bezkomórkowa synteza białek (CFPS) to obiecująca platforma do produkcji białek i substancji chemicznych, która tradycyjnie była zarezerwowana dla żywych komórek. Systemy bezkomórkowe pochodzą z surowych ekstraktów komórkowych i eliminują komplikacje związane ze wzrostem komórek1. Ponadto CFPS umożliwia bezpośredni dostęp do metabolitów i maszynerii biosyntezy bez ingerencji ściany komórkowej. Brakowało jednak podstawowej wiedzy na temat ograniczeń wydajności procesów bezkomórkowych. Wysokoprzepustowe metody kwantyfikacji metabolitów są cenne dla charakterystyki metabolizmu i mają kluczowe znaczenie dla budowy metabolicznych modeli obliczeniowych2,3,4. Typowe metody stosowane do określania stężeń metabolitów obejmują magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR), testy enzymatyczne i spektrometrię mas (MS)5,6,7,8. Metody te są jednak często ograniczone ze względu na ich niezdolność do skutecznego pomiaru wielu związków jednocześnie i często wymagają próbki o wielkości większej niż typowe reakcje bezkomórkowe. Na przykład testy oparte na enzymach mogą być często stosowane tylko do ilościowego oznaczania pojedynczego związku w serii i są ograniczone, gdy wielkość próbki jest mała, na przykład w bezkomórkowych reakcjach syntezy białek (zwykle przeprowadzanych w skali 10-15 μl). Tymczasem NMR wymaga dużej ilości metabolitów do wykrywania i kwantyfikacji5. W obliczu tych niedociągnięć, metody chromatograficzne w połączeniu ze spektrometrią mas (LC/MS) zapewniają kilka zalet, w tym wysoką czułość i możliwość jednoczesnego pomiaru wielu gatunków9; Złożoność analityczna znacznie wzrasta jednak wraz z liczbą i różnorodnością mierzonych gatunków. Dlatego ważne jest, aby opracować metody, które w pełni wykorzystają potencjał systemów LC/MS w zakresie wysokiej przepustowości. Związki w próbce rozdziela się metodą chromatografii cieczowej i identyfikuje za pomocą spektrometrii mas. Sygnał związku zależy od jego stężenia i skuteczności jonizacji, przy czym jonizacja może się różnić w zależności od związków, a także może zależeć od matrycy próbki.
Osiągnięcie takiej samej efektywności jonizacji między próbką a wzorcami jest wyzwaniem przy użyciu LC/MS do ilościowego oznaczania analitów. Co więcej, kwantyfikacja staje się trudniejsza w przypadku różnorodności metabolitów ze względu na podział sygnału i niejednorodność powinowactwa i polaryzacji protonów10. Wreszcie, matryca koelucyjna próbki może również wpływać na wydajność jonizacji związków. Aby rozwiązać te problemy, metabolity mogą być derywatyzowane chemicznie, co zwiększa rozdzielczość i czułość separacji przez systemy LC/MS, jednocześnie zmniejszając w niektórych przypadkach rozszczepianie sygnału10,11. Derywatyzacja chemiczna polega na znakowaniu określonych grup funkcyjnych metabolitów w celu dostosowania ich właściwości fizycznych, takich jak ładunek lub hydrofobowość, w celu zwiększenia wydajności jonizacji11. Różne środki znakujące mogą być stosowane do celowania w różne grupy funkcyjne (np. aminy, hydroksyle, fosforany, kwasy karboksylowe itp.). Anilina, jeden z takich środków do derywatyzacji, celuje w wiele grup funkcyjnych jednocześnie i dodaje składnik hydrofobowy do cząsteczek hydrofilowych, zwiększając w ten sposób ich rozdzielczość separacji i signal12. Aby rozwiązać problem efektu tłumienia jonów w matrycy koelucyjnej, Yang i współpracownicy opracowali technikę opartą na znakowaniu technologii wzorców wewnętrznych specyficznych dla grupy (GSIST), w której wzorce są oznaczane izotopami aniliny 13C i mieszane z próbką12,13. Metabolit i odpowiadający mu wzorzec wewnętrzny mają taką samą wydajność jonizacji, ponieważ współeluują, a ich stosunek intensywności można wykorzystać do ilościowego określenia stężenia w próbce doświadczalnej.
W tym badaniu opracowaliśmy protokół do wykrywania i ilościowego oznaczania 40 związków biorących udział w glikolizie, szlaku pentozy fosforanowej, cyklu kwasów trikarboksylowych, metabolizmie energii i regeneracji kofaktora w reakcjach CFPS. Metoda opiera się na podejściu GSIST, w którym użyliśmy 12C-aniliny i 13C-aniliny do znakowania, wykrywania i ilościowego oznaczania metabolitów za pomocą odwróconej fazy LC/MS. Zakres liniowy wszystkich związków wynosił 2-3 rzędy wielkości ze średnim współczynnikiem korelacji wynoszącym 0,988. W związku z tym metoda ta jest solidnym i dokładnym podejściem do badania metabolizmu wolnego od komórek i ewentualnie ekstraktów z całych komórek.