代谢组学：未来新方向

加拿大阿尔伯塔大学生命科学和计算科学教授大卫·维哈特说，我们实际上是一大群生物化学反应，“所以基因组和蛋白质组进化是为了支持代谢组学，而不是相反的道路。”Wishart说代谢组学提供了比其他组织学方法更直接的检测生理状态的方法。代谢物对营养、压力或疾病状态的反应比转录组或蛋白质组快得多。这使得代谢组学在许多领域非常受欢迎，例如环境毒理学、进化和发展、疾病诊断和治疗反馈，以及药物、农药和除草剂的研究和开发。代谢组学流动测试有助于合成生物学家揭示基因变化如何影响途径和产物。

作为基因组家族中最年轻的成员，代谢组学正蓬勃发展。2014年，国际代谢组学学会在日本鹤岗举办了第10届年会。"在第一年，我们有大约150名参与者."墨尔本大学助理教授兼澳大利亚代谢小组分站主任尤特·罗斯纳说:“今年我们有500多名注册参与者。此外，代谢组学已经成为每个研究者研究工具的一部分。现在，年轻的研究人员经常将代谢组学作为他们博士工作的一部分。

代谢组学的主要挑战源于其优势。代谢组学数据非常强大，因为生物体有许多代谢物，包括相关前体、衍生物和具有一定浓度的降解产物，这些代谢物极其多样且变化迅速。这种复杂性需要微妙的分离和检测方法。代谢组学包括脂质分析，这是一个潜在的发展领域。Thermo-Fisher科技公司战略市场部经理黄莺莺说:“脂质组织学与心血管疾病、癌症、糖尿病和肥胖症直接相关。然而，体内脂质的结构和浓度差异极大，可能达到10倍的差异。”许多生理脂质和其他代谢物具有相同的化学成分，只是排列不同。因此，加州大学戴维斯分校教授、西海岸代谢组学中心主任奥利弗·费恩称代谢组学为“异构体科学”

仪器决策树

对代谢组学日益增长的兴趣促使分子分离和检测仪器的制造商为代谢组学开发各种硬件、软件和技术支持。当研究人员需要将这些技术引入实验室时，他们面临着复杂的决策树。第一个分支是非目标或目标分析。非目标方法聚合所有可能组件的数据。有针对性的分析侧重于已知的成分，通常是数量上的变化，例如对压力和疾病的反应。

核磁共振波谱(NMR)对于目标分析特别有效，因为它是定量的和可重复的，并且适用于检测复杂的样品，例如血液、尿液或少量的组织提取物，而很少或没有处理。芬兰奥卢大学分子流行病学主任彼得·乌尔茨最近作为合著者发表了一篇文章。这项工作利用布鲁克的仪器，将核磁共振代谢组学应用到爱沙尼亚和芬兰的数千个生物样品库中。研究小组发现了四种生物标志物，当它们结合在一起时，与各种情况下猝死风险的增加显著相关。乌尔茨指出，这项研究是观察性的，没有探索其机制，但证明了核磁共振在生物标记分析的能力。然而，使用核磁共振的代谢组学分析也是有限的，因为其灵敏度比更流行的代谢组学方法“质谱(MS)”低几个数量级。

质谱分析需要样品处理。成分通常需要电离和分离。最常用的方法是气相色谱法和液相色谱法。毛细管电泳(CE)可以很好地分离极性代谢物，并且可以用于与单细胞大小相同的样品。毛细管电泳-质谱是人类代谢组学技术公司(HMT)的特色产品，安捷伦和雅培实验室等公司也提供该产品。然而，安捷伦的代谢组学项目经理西奥多·萨纳说，毛细管电泳需要专业的操作员和强大的软件来分析迁移时间的漂移。

毛细管电泳-质谱的优点是分析易挥发或可通过衍生物挥发的物质，如由初级中心代谢的小分子。然而，液相色谱-质谱特别适用于大的和热不稳定的有机分子，包括许多次级代谢物、大的碳水化合物和脂类。一些新的发展，如超高效液相色谱(UPLC，最初由沃特世开发)、超临界流体色谱和离子迁移分离方法，已经提高了速度和分离能力，包括非极性分子和组分(如脂质)与各种异构体或异位体。该分离方法与质谱仪(例如飞行时间(TOF)质量分析器)耦合，并且可以在大质量范围内快速和高分辨率地分析分子。添加四级或线性离子阱可以选择电离过程中产生的特定组分或组分碎片。一旦研究人员对代谢组学特征进行了分类，他们就可以决定是购买仪器还是将样本送到服务机构。

供应和服务提供商的选择

安捷伦提供气相色谱-质谱、液相色谱-质谱、毛细管质谱和核磁共振等仪器。萨那说:“作为能够提供所有这些技术，包括硬件、软件和技术支持的单一供应商，我们有着不可替代的地位。”(岛津还提供了研究人员推荐的各种系统，作为廉价的主要设备。)用户称赞安捷伦直观的软件，萨那证实这确实是该公司的优先事项。例如，安捷伦的GeneSpring-质量模型专业版软件用于整合和分析多个重组数据。萨那说，“基因春天使你能够从核糖核酸、蛋白质和代谢物中提取完全不同的数据，并在生物路径上动态地绘制它们，就像代谢路径工具KEGG一样。”GeneSpring还支持预处理来自其他供应商平台的数据，例如电子表格。萨那说，使用路径工具来可视化大量实验的结果，对于收集生物学见解和计划后续实验非常有用。

Albrecht专注于液相色谱-质谱分析。研究人员高度重视仪器的快速数据采集、出色的动态范围以及定量和精确的质量能力(通常定义为精度为百万分之五或更低)。该公司还提供毛细管电泳和离子迁移选项。对于代谢组学，abc推荐三重飞行时间和QTrap系统。该公司高级营销经理法迪·阿卜迪(Fadi Abdi)表示:“我们的三重飞行时间质谱仪是一种高分辨率、精确的质谱仪，可用于定性和定量分析，适合代谢组学的发展。Qtrap专为需要敏感性、针对性和量化的工作流而设计。”Abdi解释说，为了识别、确认和量化产品，三重飞行时间系列可以在液相期间的单次注射中同时完成质谱和串联质谱分析。Albrecht代谢组学和脂质组学应用部门的研究员Baljit Ubhi说，Qtrap的多重反应检测器提供了质谱产生的父代化合物和片段的数据，简化了数据处理过程，让研究人员对他们的数据更有信心。

寻找广泛代谢物覆盖范围的研究人员可以考虑雅培实验室的组合包装，它结合了雅培实验室的高分辨率液相色谱/质谱系统和LiKe公司的高分辨率气相色谱/质谱系统。这种合作为客户提供了“两种技术的精髓”，LECO市场技术部主任杰夫·帕特里克说。该软件包包括基因数据公司的软件，可以整合两个平台的数据，提供可靠的代谢组学分析。

另一个受欢迎的多功能液相色谱-质谱选择是基于Thermo-Fisher科学公司轨道谱技术的仪器。黄莺莺说，轨道阱质谱通常用于蛋白质组学，但当集成了先进的分离系统(如UPLC)时，其高分辨率能力特别适合代谢组学分析。并行检测消除了加速样品分析所需的多次运行。Thermo-Fisher Scientific公司生产线上的最新系统是一个轨道阱聚变三混合系统，带有三个质谱仪。液相分离后，样品通过四极孔过滤，并在随后的轨道阱和线性离子捕获中进行可能的平行分析。黄莺莺说，三混合系统的最初设计是为研究人员提供灵活性和精确的质谱性能。

Thermo-Fisher Scientific、Albrecht和*e还提供质谱成像仪器，也称为MALDI成像。罗斯纳解释说，这种方法克服了代谢组学的局限性:代谢物分析通常只能在同质样品或提取物中进行，但那些特定的细胞和组织具有不同的代谢物特征。质谱成像技术提供了薄组织切片(例如，源自器官或植物组织)的代谢物的空间分布的图像。该过程使用激光解吸电离基质处理样品的成分，然后使用质谱进行分析。组分二维图像的重建提供了组织间代谢物的定位。

罗斯纳在技术中使用了布鲁克的系统，他说:“虽然它仍处于初始阶段，但这是一个令人兴奋的方法。它可用于观察肺部样本中药物相关代谢物的分布，或跟踪环境刺激后组织中代谢物分布的变化。”西摩·费希尔的轨道陷阱系统在这种方法中具有优势。黄莺莺说:“因为离子来自没有液相分离的组织，你需要一个超高分辨率的仪器，比如轨道阱。”

对于不打算购买系统或喜欢服务带来的便利的研究人员，他们也有许多选择。生物速率和代谢组学都为世界提供质谱代谢组学分析服务。梅特博龙还涉足大规模和长期合作，如克雷格·文特尔的人类生活项目。Metbolon公司销售和营销高级副总裁Chris Bernard表示，就代谢组学如何付诸实践以及如何在一系列项目中使用而言，合作对Metbolon公司非常重要。

核磁共振代谢组学的优点在于无需对标准曲线进行真正的定量就可以保留样品，可以实现最小样品的操作，并且可以在单个反应中检测到所有具有结构信息的代谢物。但是科学家们对它的兴趣可能会受到安装成本的阻碍。研究人员可以通过服务提供商获得这种方法，比如Chenomx。沃特兹和他的同事还通过脑震荡提供核磁共振代谢组学服务和合作。这是基于他们使用核磁共振进行生物标记研究的经验，以及将代谢组学数据与全基因组关联研究联系起来，全基因组关联研究将遗传变异与疾病风险联系起来。

代谢组学服务机构正在通过国家和学术中心设施迅速发展。在澳大利亚，罗斯纳是第一个建立*资助的国家代谢组服务平台的人。加拿大也资助了国家代谢小组的项目，其他国家也在这一领域效仿。早在2012年，美国国家卫生研究院共同基金就开始建立代谢组学区域中心。负责西海岸项目的费恩说:“这些中心已经改进了代谢组学，能够为学术界和工业界服务，它们有不同的特点，比如肯塔基中心的代谢流平台和北卡罗来纳州的核磁共振平台。”国家卫生研究院的中心平台也为首次接触代谢组学的科学家提供短期课程。

下一个挑战

当被问及代谢组学面临的主要挑战时，研究人员和供应商在三个方面达成一致:未知物质的识别；开发可以查询的标准数据集，就像基因银行的基因组资源一样；代谢组学与其他全系统数据的整合。

“质谱太敏感了，所以我们得到了很多物质，但我们不知道它们是什么。”Wishart说。为了帮助研究人员识别代谢物，安捷伦开发了一个基于质谱技术的代谢物识别的气相色谱-质谱和液相色谱-质谱数据库。该公司可以提供气相色谱-飞行时间数据库，帕特里克说，该数据库可以用于任何气相色谱数据，尽管该数据库是为该公司的仪器优化的。该公司目前正在探索与高分辨率精确质谱库合作的机会。

Wishart意识到最未知的是代谢物中的代谢物:“分解产物和由酶或微生物活性转化的分子。”这些分子的相似性是鉴别它们的关键因素。费恩团队已经开发了一些商业质谱库，并且正在开发虚拟库。研究人员可以从已知的物质光谱数据中预测相似或修改过的异物的光谱。LipidBlast是一个由费恩团队开发的串联质谱虚拟库，有超过200，000种脂质可供免费下载。

为了应对数据集成和可搜索性带来的挑战，代谢组学界采取了一些措施来促进数据仓库的建立。例如，英国的新陈代谢得到了欧洲代谢组学标准协调委员会(COSMOS)联盟的支持，该联盟开发了代谢组学的数据标准。还有代谢组学工作台，旨在建立一个由国家卫生研究院资助的代谢组学项目数据库。西摩·费希尔技术公司和费恩公司联合推出了一个由mzcloud.org网站提供的免费社区数据库，其中包括未知成分的真实和虚拟光谱图，以便在识别过程中进行注释。

即使在代谢组学有了存储数据的数据库之后，帕特里克仍然意识到，鉴于大量数据的背景和意义，“系统生物学的主要挑战是生物干扰”。他认为解决方案是软件，这“推动了代谢组学的发展方向”伯纳德同意这一观点，他说代谢组学的客户的主要需求是帮助他们理解结果的生物学意义。“质谱有助于生成数据。挑战在于将信号与噪声分开:85%的质谱数据点是噪声。伯纳德补充道，代谢组学的客户可以使用代谢组学门户网站，该网站在他们的样本中包含一系列代谢物，相比之下，当地的一个拥有14000多种成分的库可以自动识别代谢物。此外，门户最强大的功能是它能够在通道级别可视化和浏览数据。

随着这一领域的不断发展，仪器供应商和服务提供商渴望在他们的代谢组学研究中与用户合作和讨论，不仅在业务关系方面，而且在掌握当前趋势方面。"我们正与一些研究人员密切合作。"萨那说，“研究人员通常是推进代谢组学发展的新思想的来源。”■

(高大海，翻译之一，中国科学院海洋研究所助理研究员)

克里斯·塔奇班纳是美国西雅图和丹麦哥本哈根的科学作家。

致谢:“原文由美国科学促进协会(www.aaas.org)于2014年9月19日在《科学》杂志上发表。官方英文版请见www.sciencemag.org/site/products/lst_20140919.xhtml。

科学新闻(科学新闻，2015年2月，科学生活)