MALDI-Imaging-Massenspektrometrie zur Untersuchung von Metaboliten in<em> Medicago truncatula</em> Wurzelknöllchen
Summary
Bildgebenden Massenspektrometrie (MSI) ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das benutzt werden kann, um in intakten Geweben entdecken und identifizieren verschiedene chemische Spezies, die Erhaltung der Verbindungen in ihrer natürlichen Umgebung, die neue Einblicke in die biologischen Prozesse zur Verfügung stellen kann. Hierin eine für die Analyse von kleinen Molekülen entwickelt MSI Verfahren beschrieben.
Abstract
Die meisten Techniken verwendet, um kleine Moleküle, wie Medikamente oder endogene Metaboliten studieren, verwenden Gewebeextrakten, die die Homogenisierung des Gewebes von Interesse, die möglicherweise Änderungen in der Stoffwechselwege untersucht 1 verursachen könnte erfordern. Bildgebenden Massenspektrometrie (MSI) ist ein leistungsstarkes Analyse-Tool, das in intakten Scheiben von biologischen Gewebeproben 1-5 räumliche Informationen von Analyten zur Verfügung stellen kann. Diese Technik wurde ausgiebig verwendet, um verschiedene Arten von Verbindungen, einschließlich Proteine, Peptide, Lipide, kleine Moleküle wie Metaboliten endogenen studieren. Mit Matrix-unterstützte Laserdesorption / Ionisation (MALDI)-MSI können räumliche Verteilungen mehrerer Metaboliten gleichzeitig detektiert werden. Hierbei wird eine speziell für die Durchführung von Metabolomics ungezielte MSI Experimente an Leguminosen Wurzeln und Wurzelknöllchen entwickelte Methode vorgestellt, das Einblicke in die biologischen Prozesse, die sich offenbaren konnte. Diehier vorgestellte Methode zeigt eine typische MSI Workflow, von der Probenvorbereitung bis zur Bildaufnahme, und konzentriert sich auf die Matrix-Anwendung Schritt und zeigt mehrere Matrix Anwendungstechniken, die nützlich für die Erkennung kleiner Moleküle sind. Sobald die MS Bilder erzeugt, wird die Analyse und Identifizierung von Metaboliten von Interesse diskutiert und gezeigt. Die hier vorgestellten Standard-Workflow kann leicht für verschiedene Gewebearten, Molekülarten, und Instrumentierung geändert werden.
Introduction
Die wachsenden Bereich der Metabolomics hat viele wichtige biologische Anwendungen, einschließlich der Entdeckung von Biomarkern, die Entschlüsselung Stoffwechselwege in Pflanzen und anderen biologischen Systemen und Toxikologie Profilierung 4,6-10. Eine große technische Herausforderung bei der Untersuchung biologischer Systeme ist es, Wege metabolomic sie ohne Unterbrechung 11 studieren. MALDI-MSI ermöglicht die direkte Analyse von intaktem Gewebe, die sensitive Detektion von Analyten in einzelnen Organen und sogar 12,13 14,15 Einzelzellen ermöglicht.
Probenvorbereitung ist ein entscheidender Schritt in der Herstellung reproduzierbare und zuverlässige Massenspektren Bilder. Die Qualität der Bilder hängt stark von Faktoren wie Gewebeeinbettungsmedium, Schichtdicke, MALDI-Matrix und Matrix-Anwendungstechnik. Bei bildgebenden Anwendungen ist ideal Schnittdicke die Breite einer Zelle (8-20 um je nach Probentyp). MALDI erfordert Abscheidung einer organischen, Crystalline Matrixverbindung, typischerweise eine schwache Säure, auf die Probe, um einen Analyten-Ablation und Ionisierung zu unterstützen. 16 verschiedene Matrizen bieten unterschiedliche Signalintensitäten, störenden Ionen und Ionisierungseffizienz von verschiedenen Klassen von Verbindungen.
Die Matrix Applikationstechnik spielt auch eine Rolle, in der Qualität der Massenspektren Bilder und verschiedene Techniken für die verschiedenen Klassen von Analyten geeignet sind. Drei Matrix Anwendungsmethoden werden in diesem Protokoll vorgestellt: Airbrush, Spritzautomaten und Sublimation. Airbrush-Matrix-Anwendung wurde vielfach in der MALDI-Bildgebung verwendet. Der Vorteil der Airbrush-Matrix-Anwendung ist, dass es relativ schnell und einfach ist. Allerdings ist die Qualität der Airbrush Matrix Anwendung hängt stark von der Geschicklichkeit des Benutzers und neigt weniger reproduzierbar und führen Diffusion von Analyten, insbesondere kleine Moleküle 17. Automatische Spritze Systeme haben ähnliche Mechanik Matrix Anwendung Airbrush, aber have entwickelt worden, um die Variabilität mit manueller Airbrush-Anwendung gesehen zu entfernen, so dass das Spray mehr reproduzierbar. Diese Methode kann manchmal mehr Zeit in Anspruch als herkömmliche Airbrush-Matrix-Anwendung sein. Sowohl manuelle Airbrush und Spritzautomaten Systeme sind lösemittelbasierten Matrix Anwendungsmethoden. Sublimation ist eine trockene Matrix Applikationstechnik, die immer mehr und mehr populär für die Massenspektrale Bildgebung von Metaboliten und kleinen Molekülen, weil es Analytdiffusion reduziert, aber es fehlt die notwendige Lösungsmittel zu extrahieren und zu beobachten, höhere Massen 18 Verbindungen.
Zuversichtlich Identifizierung von Metaboliten erfordert in der Regel präzise Massenmessungen an vermeintlichen Identifikationen gefolgt von Tandem-Massenspektrometrie (MS / MS) Experimente zur Validierung, mit MS / MS-Spektren, die verglichen werden, um Standards, Literatur oder theoretischen Spektren zu erhalten. In diesem Protokoll hoher Auflösung (Massenauflösungsvermögen von 60.000 bei m / z 400), Flüssigchromatographie (LC)-MS ist mit MALDI-MSI gekoppelt, die die Rauminformationen und zuversichtlich Identifikationen von endogenen Metaboliten zu erhalten, mit Medicago truncatula Wurzeln und Wurzelknollen als das biologische System. MS / MS-Experimente können direkt auf das Gewebe mit MALDI-MSI-oder Gewebeextrakten mit LC-MS durchgeführt und für die Validierung der Metabolit Identifikationen verwendet werden.
Dieses Protokoll bietet eine einfache Methode, um endogene Metaboliten in M. Karte truncatula, die angepasst und MSI von kleinen Molekülen in verschiedenen Gewebetypen und biologische Systeme angewandt werden kann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wie oben diskutiert, ist die Probenvorbereitung der wichtigste Schritt in der MSI Workflow. Die Einbettung des Gewebes verursachen ungleichmäßig Schneiden schwierig oder in einigen Fällen nicht möglich zu sein. Der Abschnitt Größe und angemessene Ausgleichszeit sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Gewebeintegrität und Vermeidung von Falten und Tränen. Auswahl der Matrix-und Applikationstechnik eine Rolle bei der Bestimmung der Arten von Analyten zu erfassen ist, die räumliche Auflösung und Reproduz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Dr. Jean-Michel Ané in der Abteilung für Pflanzenbau an der UW-Madison für die Bereitstellung von Medicago truncatula Proben bestätigen. Diese Arbeit wurde zum Teil aus Mitteln der National Science Foundation (NSF) unterstützt Zuschuss CHE-0957784, der Universität von Wisconsin Graduate School und der Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF) und Romnes Fakultät Research Fellowship-Programm (LL). EG quittiert eine NSF Graduate Research Fellowship (DGE-1256259).
Materials
| Gelatin | Difco | 214340 | heat to dissolve |
| Cryostat- HM 550 | Thermo Scientific | 956564A | |
| indium tin oxide (ITO)-coated glass slides | Delta Technologies | CB-90IN-S107 | 25-75-0.8 mm (width-length-thickness) |
| 2,5-Dihydroxybenzoic acid (DHB) matrix | ICN Biomedicals | PI90033 | |
| Airbrush | Paasche Airbrush Company | TG-100D | coupled with 75 ml steel container |
| Automatic matrix sprayer system- TM-Sprayer | HTX Technologies, LLC | HTX.TMSP.H021-U | Specific start-up and shut-down instructions will be given when the instrument is installed |
| Sublimation apparatus | Chemglass Life Science | CG-3038-01 | |
| Vaccum pump- Alcatel 2008 A | Ideal Vacuum Products | P10976 | Ultimate Pressure = 1×10-4 Torr |
| ultrafleXtreme MALDI-TOF/TOF | Bruker Daltonics | 276601 | |
| FlexImaging | Bruker Daltonics | 269841 | One example of "vender specific software" |
| MALDI LTQ Orbitrap | Thermo Scientific | IQLAAEGAAPFADBMASZ | High resolution MALDI instrument for accurate mass measurements |
| Q Exactive | Thermo Scientific | IQLAAEGAAPFALGMAZR | High resolution LC-MS instrument for accurate mass measurements |
References
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