核磁共振光谱识别和数据库的代谢物
核磁共振(NMR)谱是一种强大的技术用于识别和量化复杂混合物的成分。每一个原子的原子核具有非零自旋量子数具有角动量,因此磁矩。当样品被放置在一个静态超导磁场,原子核的磁矩(如质子、1 h)这个磁场。核磁共振光谱学家探针的化学环境磁场中的原子核通过应用射频脉冲根据选择的信号(共振)等特定的原子核的质子。独特的化学环境中的每个核样本产生一个特定的共振信号(频率)。此外,综合区域的共振频率正比于细胞核的数量在每一个独特的化学环境。这两个的信息构成NMR光谱-共振频率和面积被科学家用来确定分子的结构。
例如,脂肪族,芳香族羧酸和质子在阿司匹林(C9H8O4)产生独特的频率和集成信号地区1 h NMR谱允许评估阿司匹林样品的纯度。更大的分子与许多不同的化学环境中质子产生非常复杂的核磁共振光谱。获得额外的信息使结构的决心,核磁共振光谱学家调查等核13 c或15 n。核磁共振光谱学家也采用先进技术的射频脉冲序列应用于两个原子核(例如1 h NMR) -13 c杂环的关联与信息获取光谱的顺序原子键合在一起,一个分子。先进的脉冲序列的多功能性和广度给核磁共振光谱学家一个强大的工具来识别各种各样的材料的分子结构和身份。
复杂的核磁共振光谱技术被广泛用于确定蛋白质的结构如amyloid-β单体和纤维在阿尔茨海默氏症中扮演一个角色。核磁共振光谱,包括1 h NMR和杂环的关联能谱法,也是主要的方法获得代谢分析数据。结合计算方法和数据库的共振,核磁共振光谱学使科学家确定代谢过程产生的代谢物。这些代谢物的识别等领域可用于药物开发的早期阶段,人类健康的指标。在这里,我们看看如何使用核磁共振光谱学研究人员和数据库在代谢组学的新兴领域。
代谢分析和核磁共振
格林威治大学教授杰里米·埃弗雷特和他的研究小组使用代谢分析-也被称为代谢组学和代谢组学作为一种强大的方法来建立生物体的代谢表型。代谢表型是重要的,因为他们报告实时综合有机体的生理状态,与报告结构基因组学,功能,生物体的基因组的进化和映射,可以修改基因剪接改变生物体的特征。
核磁共振光谱学使识别的再现性代谢物在复杂混合物简单,只要光谱是在相似的条件下,获得类似的磁场强度。鉴于这些要求,核磁共振光谱的代谢物数据库等的参考标准人类代谢组数据库(HMDB)(1)匹配与那些相同的代谢物在复杂的混合物。因此,数据库等HMDB至关重要的工具,与其他方法,协助代谢物鉴定代谢分析实验(2)。
“核磁共振光谱学是代谢物探测和识别的首选工具在我们的代谢组学群格林威治大学的英国,由于其大众化的代谢物检测能力,其定量性质,它的稳定性和强度及其无与伦比的能力确定代谢物的结构在复杂的混合物。我们成功地使用核磁共振光谱学基础代谢组学领域的肥胖、老化和结肠直肠癌,”埃弗雷特教授说。
自动化分析的力量
其他研究小组的力量结合核磁共振和数据库自动光谱分析。代谢物的1 h NMR数据从细胞,组织,和其他生物样本可能被收集在一个小时。然而,它可能需要一个专家光谱学家一天或更多分析数据从一个样本。研究科学家可能分析20或更多的在一个小样本的代谢组学研究项目,每个样本包含大约50个代谢物。约翰Markley教授和他的研究小组在美国威斯康星大学麦迪逊分校的发展基于网络平台自动化的分析1 h NMR数据从而减少时间确定代谢物在复杂的混合物。
教授Markley 1 h NMR数据的自动化分析依赖于现有的图书馆超过1000小分子和统计(贝叶斯)分析每个化合物的光谱从数据库中用于识别单个代谢物混合物。
“我们正在开发一种新方法的1 h NMR数据的自动化分析建立在我们日益增长的NMR图书馆自旋系统矩阵了1000小分子和固体贝叶斯分析的基础。参数化的基本思想是通过参数化的小分子模板(PSMTs)代表单个代谢物的核磁共振光谱可以形成贝叶斯分析的基础代谢产物混合物核磁共振光谱的导致显著增强组成化合物的识别和量化,“Markley教授说。
如上所述,代谢物的识别在复杂混合物中很简单,只要光谱是在类似的条件下获得。然而,核磁共振光谱学家可能收集数据在不同磁场下的优势和其他实验条件,如化合物浓度、pH值、温度。Markley教授的核磁共振数据的自动化分析依赖于软件开发研究他和他的同事们为了解决不同的实验条件和解决如何研究科学家提供软件和数据库开发人员一个独一无二的字符串的每个代谢物的字母和数字。
”这个项目利用最近的两项技术在全国磁共振设备在麦迪逊(NMRFAM):一个软件工具,以一种化合物的三维结构和创建一个独特的和可再生的名字,化合物以及其组成原子的标签为每个(3)和一个软件工具,加快了计算的PSMT复合代表其质子核磁共振谱(4)。在一起,这些工具形式新颖的方法来识别和量化的基础化合物代谢组学研究的可溶性的混合物。PSMTs可以用来模拟核磁共振光谱收集在不同磁场强度和不同的pH值,他们也可以通过调优占微分放松和溶质交互影响。因为PSMTs可以模拟核磁共振光谱在不同领域的优势,我们的图书馆PSMTs和软件仍将是有用的新核磁共振仪器操作在更高领域可用“Markley教授解释道。
核磁共振光谱和代谢组学领域的发展,科学界依靠公开的研究工具,比如Markley教授和他的同事们开发,自动化,加快核磁共振数据的分析。
“使用PSMTs作为一个模型,我们开发了一个web服务器Bayesxplorer接受1 h NMR光谱以及期望代谢物的列表的选择从这些PSMTs (GISSMO文件)已经是可用的。”Markley教授说。
Bayesexplorer为研究人员提供了一个特定的概率信息代谢物存在于他们的样品也标志化合物不匹配的数据库。Markley教授所言,“Bayesxplorer实现计算贝叶斯统计的最新进步提供强大的识别和量化的结果。然后web服务器返回的信息检测化合物存在的可能性和估计的相对浓度(误差)。此外,签名不匹配PSMT库中的化合物被发现和识别进一步调查。”
他的研究小组将继续完善和改进Bayesexplorer通过添加更多的1 h NMR数据,核磁共振光谱学家将使用确定代谢物在复杂的混合物。“这开发网站受益于我们的经验在处理一个广泛的光谱。bug被固定和优先级列表创建额外的1 h NMR光谱化合物变成PSMTs更健壮的和全面的方法,“Markley教授说。
公开的核磁共振代谢组学数据库
有很多公开的数据库为代谢组学NMR研究社区除了上述HMDB(1)。这些数据库都包含1 h和13 c 1 d和2 d核磁共振数据(5)超过40000种化合物。研究团体访问这些数据库作为起点来分析和解释他们的核磁共振数据。
的生物核磁共振银行(BMRB)包含1 h、13 c和homo和杂环的核磁共振数据906种化合物,如蛋白质、多肽、核酸和其他生物分子(6)。
而,Madison-Qindao代谢组学联合数据库(MQMCD)(7)伯明翰代谢物库(BML-NMR)(8)理研代谢组学平台通过SpinAssign (')(9),TOSCY定制碳跟踪存档(托卡塔)每个包含核磁共振数据的代谢物(10)。
的核磁共振代谢组学数据库(MRMD)还总结了核磁共振化学位移等参数,多样性和同位素实验条件如磁场强度、温度和pH值(11)。
NMRShiftDB是最广泛的和广泛的数据库包含1 h和13 c NMR数据超过40000有机分子。
为研究社区继续在核磁共振光谱学领域取得进展,这些和其他许多数据库将继续增长,并使光谱学家,如约瑟夫Sachleben博士,生物分子核磁共振核心设施的技术总监在芝加哥大学,解决关键科学问题。
“作为技术总监,我帮助老师解决问题在医学和生物化学。在线NMR数据库,如生物核磁共振银行(BMRB),人类代谢组库(HML)家脂质库,扮演着重要的角色在我们能够快速有效地解决这些问题。例如,当探测蛋白质或protein-drug交互,获得分配的蛋白质核磁共振光谱BMRB让我们专注于感兴趣的互动没有第一次的时间和成本分配频谱。在代谢组学和lipidomics研究,访问这些数据库使我们能够有效地识别相关的物质。没有访问这些数据库,解决重要的医学和生化问题取得的进展将显著放缓。数据库允许真正的力量的知识获得世界核磁共振光谱学家被用来解决重要的科学问题。”
引用
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