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合成生物學前沿 | 功能性靶向代謝組學助力高效合成途徑構建
合成生物學正在醫藥、食品、材料等不同領域崛起為顛覆性技術，其主要目標是利用工程方法和設計原理來構建合成途徑和優化生物系統，以實現特定功能和產物的合成。然而，生命過程異常復雜，合成生物學在設計和改造生物系統方面面臨著許多挑戰，目前的設計-構建-測試-學習工程循環仍然需要多次的試錯迭代，深入研究目標代謝通路及其調控機制對于實現高效的生物合成途徑和底盤構建至關重要。在此背景下，功能性靶向代謝組學成為一種不可或缺的分析策略。在合成生物學途徑構建中，能量代謝通路如糖酵解、三羧酸循環、戊糖磷酸途徑等是高頻選用的改造模塊，另一方面，能量代謝是生物體維持生命所必需的過程。
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在合成生物學研究中，對能量代謝途徑進行功能性靶向代謝組深入研究具有重要意義。通過功能性靶向代謝組學，研究人員可以獲得關鍵信息，促進代謝工程和能量合成的優化：
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優化資源利用效率：通過監測能量代謝，可以評估生物體對底物和能量的利用效率，幫助確定合成途徑的效能，并指導優化策略。
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支持代謝工程：功能性靶向代謝組學提供了評估和調整代謝工程效果的手段，通過監測能量代謝通路中的關鍵代謝物濃度和變化，確保生物體獲得足夠的能量來支持目標產物的合成過程。
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動態建模和優化：監測能量代謝提供了代謝網絡動力學行為的重要信息，對于建立數學模型和預測生物系統行為至關重要。
然而，能量代謝途徑的分析也面臨著許多挑戰，例如化合物極性高、常規反相分離色譜保留困難；同分異構體難以分離、特定基團的系統吸附導致峰形變差等。為了應對這些挑戰，安捷倫開發了功能性靶向代謝組學整體解決方案，該方案覆蓋樣品前處理、儀器分析方法及數據處理標準化流程，采用一個分析方法就能覆蓋重點關注的 5 大能量相關代謝通路和超過 140 種功能性代謝物，為合成生物學對能量代謝的深入研究提供強有力的支持。
安捷倫功能性靶向代謝整體方案
解決分析方法三大挑戰
克服磷酸糖同分異構體分離難
通過采用 HILIC 柱、高 pH 值分析方法，能可靠定量同分異構的磷酸糖，如 F6P 和 G6P，從而評價通路改造的效果。
解決核苷酸類化合物吸附問題
通過添加專用的去活試劑，改善峰形的同時保證 22 種核苷酸類化合物的有效分離，確保其定量準確性。
提供系統穩定性確認依據
利用內源性氨基酸亮氨酸和異亮氨酸確認色譜柱的分離效果，也可使用氨基酸混合標準品進行系統確認，解決能量代謝通路上極性代謝物種類多樣性和樣品來源多樣性導致的分析困難。
安捷倫功能性靶向代謝組學整體解決方案具備以下三個關注點，快速實現可直接應用的特點，為客戶在合成生物學中理清和闡述生物機理問題提供協助：
1、單一通路代謝物覆蓋度高
該方案能夠高度覆蓋各個代謝通路上的小分子代謝物，例如糖酵解通路的覆蓋率可達 100%。通過深入了解代謝物的變化，能夠更精準地闡釋生物學問題。
2、重要功能性代謝通路覆蓋廣
該方案不僅覆蓋了合成生物學中的五個重要功能代謝通路，包括三羧酸循環、糖酵解、磷酸戊糖途徑、氨基酸代謝和能量代謝，并不斷擴充覆蓋更多通路。結合多組學和細胞分析，方案能夠對生物作用進行深入研究，提供全面的代謝信息支持。
3、能量代謝通路覆蓋全
除了覆蓋 NAD+、NADH、NADP+、NADPH 等重要能量代謝物之外，該方案還涵蓋其他關鍵能量代謝物，如 GSH、GSNO、GSSG 以及多種輔酶 A。此外，方案的結果還可以與 Seahorse 得到的活細胞狀態相結合，深入研究代謝工程中改造步驟與細胞代謝的時間相關性，從而進一步優化代謝工程的設計。
結語
綜上所述，安捷倫功能性靶向代謝組學整體解決方案具有單一通路代謝物覆蓋度高、重要功能性代謝通路覆蓋廣和能量代謝通路覆蓋全的特點，可為合成生物學研究提供全面的代謝信息支持，助力高效合成途徑構建。同時，該方案也可在疾病機理、藥物作用機制等其他生命科學領域廣泛應用。