Wu Enhui, Qiao Liang*
Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433, China
Mikroorganismen sinn enk verbonne mat mënschleche Krankheeten a Gesondheet. Wéi d'Zesummesetzung vu mikrobielle Gemeinschaften an hir Funktiounen ze verstoen ass e grousst Thema dat dringend studéiert muss ginn. An de leschte Joeren ass Metaproteomik e wichtegt technescht Mëttel ginn fir d'Zesummesetzung an d'Funktioun vu Mikroorganismen ze studéieren. Wéi och ëmmer, wéinst der Komplexitéit an der héijer Heterogenitéit vu mikrobiellen Gemeinschaftsproben, Probeveraarbechtung, Massespektrometrie Dateacquisitioun an Datenanalyse sinn déi dräi grouss Erausfuerderunge ginn, déi de Moment vun der Metaproteomik konfrontéiert sinn. An der Metaproteomik Analyse ass et dacks noutwendeg fir d'Virbehandlung vu verschiddenen Aarte vu Proben ze optimiséieren a verschidde mikrobieller Trennung, Beräicherung, Extraktioun a Lysisschemaen ze adoptéieren. Ähnlech wéi de Proteome vun enger eenzeger Spezies, enthalen d'Massspektrometrie-Datenacquisitiounsmodi an der Metaproteomik datenabhängiger Acquisitioun (DDA) Modus an datenonofhängegen Acquisitioun (DIA) Modus. Den DIA-Datenacquisitiounsmodus kann d'Peptidinformatioun vun der Probe komplett sammelen an huet e grousst Entwécklungspotenzial. Wéi och ëmmer, wéinst der Komplexitéit vu Metaproteom Echantillon, ass seng DIA Datenanalyse e grousse Problem ginn, deen déi déif Ofdeckung vun der Metaproteomik behënnert. Wat d'Datenanalyse ugeet, ass de wichtegste Schrëtt de Bau vun enger Proteinsequenz Datebank. D'Gréisst an d'Vollständegkeet vun der Datebank hunn net nëmmen e groussen Impakt op d'Zuel vun den Identifikatiounen, mee beaflossen och d'Analyse op den Arten a funktionnelle Niveauen. Am Moment ass de Goldstandard fir de Bau vun enger Metaproteom Datebank eng Protein Sequenz Datebank baséiert op dem Metagenome. Zur selwechter Zäit ass d'ëffentlech Datebankfiltermethod baséiert op iterativer Sich och bewisen datt se e staarke praktesche Wäert hunn. Aus der Perspektiv vu spezifesche Datenanalysestrategien hunn peptid-zentréiert DIA Datenanalysemethoden en absoluten Mainstream besat. Mat der Entwécklung vun Deep Learning a kënschtlecher Intelligenz wäert et d'Genauegkeet, d'Ofdeckung an d'Analysegeschwindegkeet vun der makroproteomescher Datenanalyse staark förderen. Wat d'Downstream Bioinformatik Analyse ugeet, sinn eng Serie vun Annotatiounsinstrumenter an de leschte Joeren entwéckelt ginn, déi Aarte Annotatioun um Proteinniveau, Peptidniveau a Genniveau kënne maachen fir d'Zesummesetzung vu mikrobiellen Gemeinschaften ze kréien. Am Verglach mat anere Omics Methoden ass déi funktionell Analyse vu mikrobiellen Gemeinschaften eng eenzegaarteg Feature vu Makroproteomik. Macroproteomics ass e wichtege Bestanddeel vun der Multi-Omics Analyse vu mikrobielle Gemeinschaften ginn, an huet nach ëmmer grouss Entwécklung Potential am Sënn vun Ofdeckung Déift, Detectioun Empfindlechkeet, an Daten Analyse Vollständegkeet.
01 Probe Virbehandlung
Am Moment ass d'Metaproteomik Technologie wäit an der Fuerschung vum mënschleche Mikrobiom, Buedem, Iessen, Ozean, aktive Schlamm an aner Felder benotzt. Am Verglach mat der Proteome Analyse vun enger eenzeger Spezies, ass d'Probe Virbehandlung vu Metaproteome vu komplexe Proben méi Erausfuerderungen. D'mikrobial Zesummesetzung an aktuellen Echantillon ass komplex, d'dynamesch Gamme vu Heefegkeet ass grouss, d'Zellmauerstruktur vu verschiddenen Aarte vu Mikroorganismen ass ganz anescht, an d'Proben enthalen dacks eng grouss Quantitéit un Hostproteine an aner Gëftstoffer. Dofir, an der Analyse vu Metaproteomen, ass et dacks noutwendeg fir verschidden Aarte vu Proben ze optimiséieren a verschidde mikrobieller Trennung, Beräicherung, Extraktioun a Lysisschemaen unzehuelen.
D'Extraktioun vu mikrobiellen Metaproteomen aus verschiddene Proben huet gewësse Ähnlechkeeten wéi och e puer Differenzen, awer de Moment feelt et un engem vereenegt Virveraarbechtungsprozess fir verschidden Aarte vu Metaproteome Echantillon.
02 Mass Spektrometrie Daten Acquisitioun
An der Gewierproteomanalyse gëtt d'Peptidmëschung no der Virbehandlung fir d'éischt an der chromatografescher Kolonn getrennt, a gitt dann an de Massespektrometer fir d'Datenacquisitioun no der Ioniséierung. Ähnlech wéi eenzel Arten Proteome Analyse enthalen d'Massspektrometrie Dateacquisitiounsmodi an der Makroproteomanalyse den DDA Modus an DIA Modus.
Mat der kontinuéierlecher Iteratioun an der Aktualiséierung vu Massespektrometrieinstrumenter ginn Massespektrometrieinstrumenter mat méi héijer Sensibilitéit a Resolutioun op Metaproteom applizéiert, an d'Ofdeckungsdéift vun der Metaproteome Analyse gëtt och kontinuéierlech verbessert. Zënter enger laanger Zäit ass eng Serie vu héichopléisende Massespektrometrieinstrumenter ënner der Leedung vun Orbitrap vill am Metaproteom benotzt ginn.
Table 1 vum Originaltext weist e puer representativ Studien iwwer Metaproteomik vun 2011 bis haut a punkto Prouftyp, Analysestrategie, Massespektrometrieinstrument, Acquisitiounsmethod, Analysesoftware an Zuel vun Identifikatiounen.
03 Massespektrometrie Datenanalyse
3.1 DDA Daten Analyse Strategie
3.1.1 Datebank Sich
3.1.2de neienSequenzéierungsstrategie
3.2 DIA Daten Analyse Strategie
04 Spezies Klassifikatioun a funktionell Annotatioun
D'Zesummesetzung vu mikrobiellen Gemeinschaften op verschiddene taxonomesche Niveauen ass ee vun de Schlësselfuerschungsberäicher an der Mikrobiomefuerschung. An de leschte Joeren sinn eng Serie vun Annotatiounsinstrumenter entwéckelt fir Aarten um Proteinniveau, Peptidniveau a Genniveau ze annotéieren fir d'Zesummesetzung vu mikrobielle Gemeinschaften ze kréien.
D'Essenz vun der funktioneller Annotatioun ass d'Zilprotein Sequenz mat der funktioneller Protein Sequenz Datebank ze vergläichen. Mat Genfunktiounsdatenbanken wéi GO, COG, KEGG, eggNOG, etc., kënne verschidde funktionell Annotatiounsanalysen op Proteine identifizéiert ginn duerch Makroproteomen. Annotation Tools enthalen Blast2GO, DAVID, KOBAS, etc.
05 Resumé an Ausbléck
Mikroorganismen spillen eng wichteg Roll an der mënschlecher Gesondheet a Krankheet. An de leschte Joeren ass d'Metaproteomik e wichtegt technesche Mëttel ginn fir d'Funktioun vu mikrobiellen Gemeinschaften ze studéieren. Den analytesche Prozess vun der Metaproteomik ass ähnlech wéi dee vun der Proteomik vun enger Spezies, awer wéinst der Komplexitéit vum Fuerschungsobjekt vun der Metaproteomik, musse spezifesch Fuerschungsstrategien an all Analyseschrëtt ugeholl ginn, vu Probe Virbehandlung, Datenacquisitioun bis Datenanalyse. Am Moment, dank der Verbesserung vun de Virbehandlungsmethoden, der kontinuéierlecher Innovatioun vun der Massespektrometrietechnologie an der rapider Entwécklung vun der Bioinformatik, huet d'Metaproteomik e grousse Fortschrëtt an der Identifikatiounsdéift an der Uwendungsberäich gemaach.
Am Prozess vun der Pre-Behandlung vu Makroproteom Proben, muss d'Natur vun der Probe als éischt berücksichtegt ginn. Wéi een Mikroorganismen aus Ëmweltzellen a Proteinen trennen ass eng vun de Schlëssel Erausfuerderunge mat Makroproteomen, an d'Gläichgewiicht tëscht Trennungseffizienz a mikrobielle Verloscht ass en dréngende Problem fir ze léisen. Zweetens muss d'Proteinextraktioun vu Mikroorganismen d'Ënnerscheeder berücksichtegen, déi duerch d'strukturell Heterogenitéit vu verschiddene Bakterien verursaacht ginn. Macroproteome Proben am Spuerberäich erfuerderen och spezifesch Virbehandlungsmethoden.
Wat d'Massspektrometrie-Instrumenter ugeet, hunn d'Mainstream Massespektrometrie-Instrumenter en Iwwergang vu Massespektrometere gemaach op Basis vun Orbitrap Mass Analysatoren wéi LTQ-Orbitrap a Q Exactive bis Massespektrometer baséiert op Ionmobilitéit gekoppelt Zäit-of-Flight Mass Analysatoren wéi TimsTOF Pro . D'timsTOF Serie vun Instrumenter mat Ion Mobilitéit Dimensioun Informatiounen hunn héich erkennen Richtegkeet, niddereg erkennen Limite, a gutt repeatability. Si si lues a lues wichteg Instrumenter an enger Vielfalt vu Fuerschungsfelder ginn, déi Massespektrometrie-Detektioun erfuerderen, sou wéi de Proteom, Metaproteom a Metabolom vun enger eenzeger Spezies. Et ass derwäert ze bemierken datt fir eng laang Zäit déi dynamesch Gamme vu Massespektrometrieinstrumenter d'Proteindeckungsdéift vun der Metaproteome Fuerschung limitéiert huet. An der Zukunft kënnen Massespektrometrieinstrumenter mat engem gréissere dynamesche Beräich d'Sensibilitéit an d'Genauegkeet vun der Proteinidentifikatioun an de Metaproteomen verbesseren.
Fir Massespektrometrie Daten Acquisitioun, obwuel den DIA Date Acquisitioun Modus wäit am Proteome vun enger eenzeger Spezies ugeholl gouf, benotzen déi meescht aktuell Makroproteome Analysen nach ëmmer den DDA Date Acquisitioun Modus. Den DIA-Datenacquisitiounsmodus kann d'Fragment-Ioninformatioun vun der Probe voll kréien, a verglach mam DDA-Daten-Acquisitiounsmodus huet et d'Potenzial fir d'Peptidinformatioun vun der Makroproteom-Probe voll ze kréien. Wéi och ëmmer, wéinst der héijer Komplexitéit vun DIA Daten, ass d'Analyse vun DIA Makroproteome Daten nach ëmmer mat grousse Schwieregkeeten. D'Entwécklung vu kënschtlecher Intelligenz an Deep Learning gëtt erwaart d'Genauegkeet an d'Vollständegkeet vun der DIA Datenanalyse ze verbesseren.
An der Datenanalyse vu Metaproteomik ass ee vun de Schlëssel Schrëtt de Bau vun der Proteinsequenz Datebank. Fir populär Fuerschungsberäicher wéi Darmflora, intestinal mikrobial Datenbanken wéi IGC an HMP kënne benotzt ginn, a gutt Identifikatiounsresultater goufen erreecht. Fir déi meescht aner Metaproteomics Analysen ass déi effektivst Datebankkonstruktiounsstrategie nach ëmmer eng Probe-spezifesch Proteinsequenz Datebank baséiert op metagenomesche Sequenzéierungsdaten. Fir mikrobielle Gemeinschaftsproben mat héijer Komplexitéit a grousse dynamesche Spektrum, ass et néideg d'Sequenzéierungsdéift ze erhéijen fir d'Identifikatioun vu wéineg Heefegkeet Arten ze erhéijen, an doduerch d'Ofdeckung vun der Proteinsequenz Datebank ze verbesseren. Wann d'Sequenzéierungsdaten feelen, kann eng iterativ Sichmethod benotzt ginn fir d'ëffentlech Datebank ze optimiséieren. Wéi och ëmmer, iterativ Sich kann FDR Qualitéitskontroll beaflossen, sou datt d'Sichresultater suergfälteg iwwerpréift ginn. Zousätzlech ass d'Uwendbarkeet vun traditionelle FDR Qualitéitskontrollmodeller an der Metaproteomik Analyse nach ëmmer derwäert ze exploréieren. Wat d'Sichstrategie ugeet, kann d'Hybrid Spektralbibliothéikstrategie d'Ofdeckungsdéift vun der DIA Metaproteomik verbesseren. An de leschte Joeren huet déi virausgesot Spektralbibliothéik generéiert baséiert op Deep Learning eng super Leeschtung an der DIA Proteomik gewisen. Wéi och ëmmer, Metaproteome-Datebanken enthalen dacks Millioune Proteinentréeën, wat zu enger grousser Skala vu virausgesote Spektralbibliothéiken resultéiert, vill Rechenressourcen verbraucht, a resultéiert an engem grousse Sichraum. Zousätzlech variéiert d'Ähnlechkeet tëscht Proteinsequenzen a Metaproteomen immens, wat et schwéier mécht d'Genauegkeet vum Spektralbibliothéik Viraussoemodell ze garantéieren, sou datt virausgesot Spektralbibliothéiken net wäit an der Metaproteomik benotzt goufen. Zousätzlech mussen nei Proteininferenzéierungs- a Klassifikatiounsannotatiounsstrategien entwéckelt ginn fir op Metaproteomik Analyse vun héich Sequenz-ähnlechen Proteinen ze gëllen.
Zesummegefaasst, als opkomende Mikrobiom Fuerschungstechnologie, huet d'Metaproteomik Technologie bedeitend Fuerschungsresultater erreecht an huet och en enormen Entwécklungspotenzial.
Post Zäit: Aug-30-2024