A metabolomika a metabolitokat (anyagcsere-termékeket) érintő vegyi folyamatok tudományos vizsgálata. Pontosabban a „specifikus, sejtszintű folyamatok által hátrahagyott kémiai ujjlenyomatok szisztematikus vizsgálata”, azok kismolekulájú metabolit-profiljának tanulmányozása. A metabolom egy sejtben, szövetben, szervben vagy élőlényben megtalálható kismolekulás metabolitok (anyagcseretermékek) összessége. Így, ha az mRNS-génkifejeződési adatok és a proteomikai analízis nem nyújtanak teljes képet a sejtben zajló folyamatokról, a metabolikus profilalkotás azonnali képet adhat a sejt fiziológiájáról.
A metabolomika rendszerbiológiai szemléletű kismolekula-mérést jelent, melynek során a vizsgálati anyag egységben kezelhető, nem csak néhány molekula koncentrációjának változásáról lehet beszámolni, hanem akár több ezer, a szervezet folyadéktereiben lévő metabolit sorsa is nyomon követhető, az is megvizsgálható, mi nem változott. A matematikailag nagyon zajos eredményekből speciális szoftverek segítségével végzik az adatbányászatot. A nagy áteresztőképességű módszerekkel megállapítható a vizsgálati folyadékban vagy sejtben lévő metabolitok koncentrációja, és megtalálható, melyik 10–15 konkrét molekula lehet fontos például egy gyógyszertoxicitási kísérlet szempontjából. A metabolitok időbeli fluktuációja is mérhető, megtudható, melyek koncentrációja változott együtt, azaz melyek tartoznak ugyanazon biokémiai vagy patológiai folyamathoz. Gyakori, hogy egy metabolomikai vizsgálat önmagában eredménytelen, de ötletet ad arra, milyen molekulát érdemes vizsgálni, vagy új hipotézist generál.Medical Online: Farmako-metabolomika
A rendszerbiológia és a funkcionális genomika egyik fő kihívása, hogy integrálja a proteomikai, transzkriptomikai és metabolomikai információkat, és teljesebb képet legyen képes adni az élőlényekről.
Eredete Régi időkre nyúlik vissza az elképzelés, hogy a testfolyadékok visszatükrözik az ember egészségi állapotát. Az ókori Kína orvosai hangyák segítségével értékelték ki a páciensek vizeletének glükóztartalmát, és így képesek voltak kimutatni a cukorbetegséget.Van der greef and Smilde, J Chemomet, (2005) 19:376-386 A középkorban „vizeletdiagramot” használták, hogy a vizelet színét, szagát, ízét különböző, anyagcserével kapcsolatos egészségi állapotokhoz kössék
Azt a gondolatot, hogy minden egyes embernek saját „anyagcsereprofilja” lehet, ami megnyilvánul testfolyadékainak összetételében, Roger Williams vetette fel a késő 1940-es években, aki papírkromatográfiával igyekezett meghatározni különböző betegségek, pl. a szkizofrénia esetében a vizeletben és a nyálban fellépő karakterisztikus, metabolikus mintázatokat. Azonban az 1960-as és 1970-es évek technológiai fejlődése tette csak lehetővé, hogy kvantitatíven (és nem csak kvalitatív módon) anyagcsereprofilokat határozzanak meg.Preti, George. "Metabolomics comes of age?" The Scientist, 19:8, June 6, 2005. Az „anyagcsereprofil” (metabolic profile) kifejezést Horning, et al. használta elsőként 1971-ben, miután sikeresen demonstrálták, hogy a gázkromatográfia-tömegspektrometria (GC-MS) eszközeivel meg lehet mérni az emberi vizeletben és szöveti kivonatokban megtalálható vegyületek mennyiségét. Horning csapata Linus Paulinggal és Arthur B. Robinsonnal karöltve vezette a vizeletben jelen lévő metabolitokat monitorozó GC-MS módszerek fejlesztését az 1970-es években.
Ezzel egy időben az 1940-es években felfedezett NMR-spektroszkópia is gyors fejlődésen ment keresztül. 1974-ben Seeley et al. demonstrálta az NMR használhatóságát a metabolitok módosítatlan biológiai mintákból való kimutatásában. Ez az első, izmokkal kapcsolatos vizsgálat aláhúzta az NMR jelentőségét, amennyiben sikeresen meghatározták vele, hogy a sejtes ATP 90%-a magnéziummal alkotott komplexben található meg. Az NMR-spektroszkópia érzékenysége a kezdetek óta sokat fejlődött, elsősorban a magasabb mágneses térerősségek elérésével és a magic angle spinning („mágikus szög” körüli forgatás) módszere által, így továbbra is az egyik vezető analitikai eszköz az anyagcsere vizsgálatában. Az NMR metabolomikai felhasználását jelentős részben a Dr. Jeremy Nicholson által vezetett labor (Birkbeck College, University of London, majd Imperial College London) hajtotta előre. 1984-ben Nicholson megmutatta a 1H NMR-spektroszkópia potenciális hasznosságát a diabetes mellitus diagnosztizálásában és kezelésében, később pedig úttörő szerepet játszott az NMR-spektroszkópiás adatok mintafelismerésében.Holmes E and Antti H (2002) Analyst 127:1549-57
2005-ben a Scripps Research Institute Siuzdak laboratóriumában megalkották az első metabolomikai webes adatbázist, a METLIN-t, amely emberi anyagcseretermékek jellemzésére szolgált, és induláskor több mint anyagcsereterméket és tandem tömegspektrometriás adatot tartalmazott. 2013 augusztusára METLIN -nél több metabolittal a legnagyobb tandem tömegspektrometriás metabolomikai adatbázis.
2007. január 23-án Kanada Alberta Egyetemén dolgozó Dr. David Wishart által vezetett Humán Metabolom Projekt elkészítette az emberi metabolom vázlatos képét. Katalogizáltak és karakterizáltak az emberi szervezetben talált mintegy 2500 anyagcsereterméket, 1200 gyógyszerterméket és 3500 élelmiszer-összetevőt. Hasonló projektek már évek óta folytak különböző növényfajok, köztük a Medicago truncatula és az Arabidopsis thaliana anyagcseréjének vizsgálatára.
2010-ben a metabolomika még mindig „feljövőben lévő területnek” számított. A tudományterület további fejlődése nagyrészt azon múlik, hogy sikerül-e a tömegspektrometria eszközeinek fejlesztésével úrrá lenni az egyelőre megoldhatatlannak látszó technikai problémákon.
Metabolom A metabolom egy biológiai mintában vagy egy élőlényben megtalálható kismolekulás metabolitok (anyagcseretermékek) összessége. Ide tartoznak a köztes anyagcseretermékek, hormonok és más jelzőmolekulák, másodlagos anyagcseretermékek, aminosavak, egyszerű cukrok stb. A kifejezést a transzkriptomika/transzkriptom, illetve proteomika/proteom mintájára képezték. A metabolom dinamikus, pillanatról pillanatra változik. Bár a metabolom jól meghatározható, jelenleg nem létezik egyetlen, átfogó analitikai módszer az összes metabolit meghatározására. Az első metabolit-adatbázist (METLIN néven) 2005-ben hozták létre Scripps Research Institute kutatói a tömegspektrográfiás adatok m/z értékei közti keresés céljából. 2007 januárjában az Albertai Egyetem és a Calgary Egyetem kutatói a Humán Metabolom Projekt keretében elkészültek az emberi metabolom vázlatos képével. Katalogizáltak és karakterizáltak az emberi szervezetben talált mintegy 2500 anyagcsereterméket, 1200 gyógyszerterméket és 3500 élelmiszer-összetevőt.
Ezeknek az adatoknak az állandóan frissített és javított változata elérhető a Human Metabolome Database (www.hmdb.ca) címén. A 3.5-ös verziójú adatbázis metabolomjával természetesen távol áll attól, hogy teljes körűnek lehessen tekinteni. Többet lehet tudni más szervezetek metabolomjairól, például a növények országából több mint metabolitot azonosítottak/jellemeztek, és egyes vizsgált növényekben is ezrekre rúg ez a szám.
Minden sejttípus egyedi metabolikus „ujjlenyomattal” bír, ami szerv- vagy szövetspecifikus információkra világíthat rá. A testfolyadékok vizsgálata általánosabb jellegű információt ad. A leggyakrabban használt testfolyadék a vizelet és a vérplazma, melyekhez (viszonylag) nem invazív módon hozzá lehet jutni. A könnyű adatgyűjtés magas időbeli felbontást tesz lehetővé, és lévén, hogy dinamikus egyensúlyban vannak a szervezettel, képesek jellemezni a szervezet egészét.
Metabolitok A metabolitok az anyagcsere köztes- és végtermékei. A metabolomika kontextusában általában az 1 kDa-nál kisebb molekulákat tekintik metabolitnak. Vannak azonban ez alól kivételek, a mintavételtől és a detekciós módszertől függően. Például a vérplazma NMR-alapú metabolomikai vizsgálatában makromolekulák, például lipoproteinek és albuminok is jól kimutathatók. A növényi metabolomikában megszokott „elsődleges” és „másodlagos” metabolitokat említeni. Az elsődleges metabolitok közvetlenül szerepet kapnak a növény növekedésében, fejlődésében, szaporodásában. A másodlagos anyagcseretermékek nem kapnak közvetlenül szerepet ezekben a folyamatokban, de egyéb fontos ökológiai funkciójuk van. A példák közé tartoznak az antibiotikumok és a pigmentek. Az emberrel foglalkozó metabolomikában alkalmazott leggyakoribb megkülönböztetés az endogén (a gazdaszervezet által termelt) és exogén metabolitok között történik. Az idegen anyagok, pl. gyógyszerek metabolitjait xenometabolitnak nevezik.
A metabolom metabolikus reakciók óriási hálózatát alkotja, ahol egyes enzimatikus kémiai reakciók kimenetei más kémiai reakciók bemenetét képezik. Az ilyen rendszereket a kémia hiperciklus néven írja le.
Metabonomika A metabonomika „az élő rendszerek patofiziológiás ingerekre vagy genetikai módosításra való dinamikus, sokparaméteres anyagcsereválaszának kvantitatív mérése”. A szó a görög μεταβολή, változás és nomos, szabályrendszer összetétele. A megközelítés úttörője az Imperial College Londonban dolgozó Jeremy Nicholson volt, használták már a toxikológiában, betegségek diagnosztizálásában és sok más területen. Történelmileg a metabonomikai megközelítés volt az egyik első módszer, ami az anyagcsere tanulmányozását a rendszerbiológia hatóterületén belülre vitte.
A szakértők sem egységesek abban, hogy mi a pontos különbség „metabolomika” és „metabonomika” között. A különbség nem a választott analitikai platformból adódik, bár a metabonomikához inkább az NMR-spektroszkópia-, a metabolomikához pedig inkább a tömegspektrometria-alapú technikák köthetők, de ez csak a különböző kifejezéseket népszerűsítő csoportok közötti használatbeli eltérések miatt van. Bár máig nincs teljes egyetértés, a lassan kialakuló konszenzus szerint a „metabolomika” nagyobb hangsúlyt fektet a sejt- vagy szervszintű anyagcsereprofil kialakítására és elsősorban a normális, endogén metabolizmussal foglalkozik. A „metabonomika” kiterjeszti vizsgálódása körét az anyagcsere környezeti tényezők (ideértve az étrendet és a toxinokat), betegségek és extragenomikus befolyások (pl. bélflóra) által okozott zavaraira is. Ez nem egy triviális különbségtétel; a metabolomikai vizsgálatok definíció szerint ki kellene zárják az extragenomikus forrásokat, lévén azok külsődlegesnek számítanak a vizsgált rendszerhez képest. A gyakorlatban azonban még most is vannak átfedések a két kifejezés használatában, és sokszor szinonimaként kezelik őket.
Analitikai technikák
Elkülönítési módszerek A gázkromatográfia, különösen tömegspektrometriával összekötve (gázkromatográfia-tömegspektrometria, GC-MS), az egyik legelterjedtebb és leghatékonyabb módszer. Magas kromatográfiás felbontást ad, de a biomolekulák jelentős részének kémiai származékképzését (derivatizálását) kívánja meg: csak az illékony kemikáliák analizálhatók közvetlenül. Egyes modern eszközök lehetővé teszik a „2D” kromatográfiát, a fő analitikai oszlop utáni poláris oszlop használatával, ami tovább növeli a felbontást. Léteznek olyan nagyméretű, poláris anyagcseretermékek, melyek esetében nem alkalmazható a gáz–folyadék kromatográfia (GC). Nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (HPLC). A GC-vel összehasonlítva a HPLC kromatográfiás felbontása alacsonyabb, de az analitok sokkal szélesebb körét képes vizsgálni. Kapilláris elektroforézis (CE). A CE-nek magasabb az elméleti elválasztási hatékonysága, mint a HPLC-nek, ugyanakkor a metabolit-osztályok szélesebb köre vizsgálható vele, mint a GC-vel. Ahogy az az elektroforézises technikákra jellemző, a töltéssel rendelkező analitek vizsgálatára a legalkalmasabb.
Észlelési módszerek