Category Archives: Metabolomica

Metabolomics Standard Initiative

L’analisi metabolomica prevede vari step e ognuno di questi porta con se una certa variabilità.
La standardizzazione delle procedure analitiche, di analisi e presentazione dei dati è di fondamentale importanza per poter “parlare” un linguaggio comune che permetta di confrontare i risultati di esperimenti diversi.

Sul sito della Metabolomics Society, alla pagina dedicata, è possibile leggere informazioni importanti su questo punto. La pagina riporta anche una serie di link a progetti e pubblicazioni.

Oltre a quelle riportate sul sito, vi consiglio anche i “Proposed minimum reporting standards for chemical analysis” e for data analysise l’articolo “Metabolite identification: are you sure? And how do your peers gauge your confidence?

Tecniche Analitiche in Metabolomica: NMR

La Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) è una tecnica che non ha rivali nell’ambito della caratterizzazione strutturale. Questa tecnica spettroscopica, che sfrutta le proprietà magnetiche dei nuclei di alcuni atomi, ci permette di avere informazioni fondamentali sui composti organici. Non tutti i nuclei sono attivi all’NMR, ma tra quelli attivi si annoverano il protone e l’isotopo 13C del carbonio ed è proprio grazie all’applicazione a questi nuclei che otteniamo informazioni strutturali fondamentali per poter identificare la struttura dei composti.

Da uno spettro protonico possiamo dedurre numerose informazioni: il chemical shift ci dà informazioni su quello che è l’intorno chimico, la molteplicità ci dà informazioni sul numero di protoni legati ai carboni vicini (con le costanti di accoppiamento che ci forniscono altre importanti informazioni strutturali), infine l’integrazione ci permette di avere informazioni di tipo quantitativo.
L’utilizzo di techinche 2D-NMR, inoltre, ci dà la possibilità di ricostruire l’intero scheletro delle molecole.
In che modo possiamo sfruttare tutte queste potenzialità in metabolomica? Lo vedremo nel corso delle prossime lezioni.

Intanto, cerchiamo di capire meglio il principio di base su cui poggia questa potentissima tecnicha.
Di seguito, due video che possono aiutarci. Il primo, prodotto dalla Bruker, il secondo da Sciencesketch.

Curiosi anche di sapere come è fatto lo strumento all’interno? Date un’occhiata qui!

Tecniche analitiche in Metabolomica: Spettrometria di Massa

Le due tecniche più utilizzate ad oggi per acquisire i dati in metabolomica sono senza dubbio la spettrometria di massa (MS) e la spettroscopia di risononanza magnetica nucleare (NMR).
La prima sfrutta la possibilità di generare e separare ioni in base al loro rapporto massa/carica. A lezione abbiamo visto che in realtà esistono tantissime applicazioni (ed “evoluzioni”) diverse di questa tecnica che la rendono particolarmente utile nell’analisi metabolomica. Il video seguente illustra, invece, il principio di base.

In una serie di video proposti dalla Waters, è possibile capire più a fondo il principio di funzionamente dell’ESI (Elettrospray ionization), che abbiamo visto essere insieme all’APCI e al MALDI (con tutte le variazioni sul tema viste a lezione) una delle tecniche di ionizzazione più diffuse quando la MS è utilizzata in metabolomica. Per quanto riguarda gli analizzatori, è possibile vedere come è fatto un quadrupolo.
Inoltre, è possibile approfondire la problematica della formazione di addotti, della formazione di specie con carica multipla, nonchè la questione dei picchi isotopici. Infine, viene affrontata la questione importantissima della risoluzione.

L’alta risoluzione è, in effetti, fondamentale nell’analisi metabolomica e, come abbiamo visto, anche l’applicazione della MS/MS aggiunge notevoli vantaggi in termini di determinazione dell’identità delle molecole. Nel seguente video è possibile seguire gli ioni nel loro cammino nel caso di un esperimento LC-MS/MS

Dal sito Bruker è possibile vedere come funziona un MALDI-TOF-TOF e da quello dell’Agilent come funziona un triplo quadrupolo associato ad un gas cromatografo o ad un HPLC/UPLC.

Le tecniche di HR-MS e MS/MS (o tandem MS) hanno notevolmente contribuito all’applicazione odierna di questa tecnica in campo metabolomico.
Inoltre, non va dimenticata la possibilità offerta dalle tecniche di imaging da un lato e dall’applicazione di tecnologie ancora più avanzate dall’altro.
Come non menzionare, allora, l’utilizzo della ion mobility mass spectrometry, che separa gli ioni non solo in base al rapporto massa/carica ma anche in funzione della loro grandezza e forma.

Le più recenti applicazioni della spettrometria di massa in metabolomica sono state trattate in una review recente “Advances in mass spectrometry-based metabolomics for investigation of metabolites” (Ren at al., RSC Advances, 2018).

Ricostruzione 3D della “coreografia molecolare” di una cellula eucariotica

Una ricostruzione 3D della cellula eucariotica è stata pubblicata di recente: il modello è stato ottenuto combinando dati ottenuti, per i singoli componenti molecolari, mediante raggi X, NMR e microscopia crioelettronica. Si tratta di un tentativo di ricostruire la miriade di pathway coinvolti nei processi di trasduzione del segnale, sintesi proteica, endocitosi, ecc. e di visualizzare la grande complessità e la bellezza della “coreografia molecolare” della cellula.
Purtroppo solo alcune delle immagini possono essere visualizzate gratuitamente, ma vi consiglio di dare uno sguardo: è anche possibile mettere in evidenza specifici processi o vie metaboliche!
Basta seguire i link nel testo sopra!

Metabolomics 2020: le ultime notizie dal settore

Nei giorni 27-29 Ottobre, si è tenuta la conferenza “Metabolomics 2020”.
Le conferenze scientifiche sono sempre fonte di informazioni preziose sulle ultime novità nel settore di riferimento. In questa conferenza ci sono stati tanti interventi molto interessanti, per cui ho pensato di condividerli con voi. Ai seguenti link è possibile scaricare la lista dei titoli degli interventi presentati come presentazione orale e come poster.

Vi invito a darci uno sguardo e a mettere in evidenza quegli interventi che possano essere di vostro interesse. Aggiungete i titoli di questi interventi nei commenti al post.
Tali argomenti saranno oggetto (insieme ad altri) degli approfondimenti che faremo nella seconda parte del corso.

Metabolismo, Vie e Network Metabolici: Risorse online

L’ultima lezione di metabolomica vi ha fornito una panoramica di quello che è il metabolismo. Sarà ormai chiaro quanto è complicato studiare un insieme così complesso di processi dinamici. Dalla settimana prossima entreremo nei dettagli di quello che è l’approccio metabolomico. Presto capiremo quanto importanti sono le risorse bioinformatiche, ivi inclusi i database per l’analisi e la visualizzazione di pathway e network metabolici.
Qui troverete un elenco di alcune di queste risorse.
Impareremo ad utilizzarle insieme molto presto, ma intanto potete iniziare ad esplorarle…e a visualizzare tutte le vie metaboliche che desiderate!


KEGG Pathway Database

Il database della Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes permette di visualizzare le vie metaboliche del metabolismo centrale e del metabolismo specializzato (e non solo). Il database si compone delle seguenti sezioni:
1. Metabolism
    Global/overview   Carbohydrate   Energy   Lipid   Nucleotide   Amino acid   Other amino   Glycan
    Cofactor/vitamin   Terpenoid/PK   Other secondary metabolite   Xenobiotics   Chemical structure
2. Genetic Information Processing
3. Environmental Information Processing
4. Cellular Processes
5. Organismal Systems
6. Human Diseases
7. Drug Development.


Seguendo il primo link (Metabolism) è possibile visualizzare vie metaboliche specifiche o interi network metabolici. Le mappe visualizzate sono interattive, quindi, cliccando in diversi punti, è possibile selezionare sezioni specifiche. Inoltre cliccando sui nodi (NB: ogni nodo rappresenta un metabolita) è possibile consultare tutte le informazioni sul metabolita in questione, incluse le altre vie metaboliche e le reazioni in cui è coinvolto, gli enzimi che contribuiscono alla biosintesi e quelli che lo utilizzano come substrato, ecc.

Sarà possibile anche visualizzare link ad altri database che contengono informazioni di tipo diverso (ad es. dati spettroscopici, dati chimico fisici, dati biologici, ecc.) sul metabolita scelto, come ad esempio il ChEBI database (che pure vedremo essere molto utile) o i database per la metabolomica come lo Human Metabolome Database (HMDB)…e tanti altri. Inoltre, cliccando sui codici identificativi degli enzimi, è anche possibile avere informazioni su di essi. Il database permette, inoltre, di evidenziare variazioni delle vie metaboliche tra diversi organismi viventi.
In realtà, sono davvero tantissime le cose che si possono fare e le informazioni che si possono ottenere dalla consultazione di questo database.
Vedremo insieme come utilizzarlo, quando ci occuperemo dell’analisi dei dati di metabolomica. Intanto, però, potete iniziare ad esplorarlo. Qui troverete anche un tutorial che può esservi di aiuto.


MetaCyc

MetaCyc è un altro database che riporta vie metaboliche determinate sperimentalmente da un vasto numero di organismi. Attualmente contiene 2847 pathway da 3161 organismi diversi. Le vie metaboliche sono sia del metabolismo primario che del metabolismo specializzato. Include inoltre informazioni su metaboliti, reazioni, enzimi e geni associati.

MetaCyc include le seguenti funzioni:
– Online encyclopedia of metabolism
– Predict metabolic pathways in sequenced genomes
– Support metabolic engineering via enzyme database
– Metabolite database aids metabolomics research.
Anche questo database è interattivo e ci sarà molto utile nell’analisi dei dati di metabolomica! Inoltre è collegato oad altri database di indubbia utilità per l’analisi metabolomica (BioCyc e simili).


Altri link utili:

Metabolomics

Prime lezioni di metabolomica perse?

Qui troverai delle risorse utili…Segui il link:

Introduzione alla metabolomica (contenuti: definizione di metaboloma e metabolomica, note sull’importanza di questo tipo di approccio e campi di applicazione, panoramica di quello che è l’approccio dal punto di vista metodologico).

E alla fine potrai anche testare le tue conoscenze

Inoltre, nella sezione “Materiale del corso” (nella cartella “File”) dell’aula virtuale saranno rese disponibili a breve le slide delle prime due lezioni del corso, insieme ad altro materiale utile allo studio.