加拿大阿伯特大學(xué)生命科學(xué)與計算科學(xué)教授David Wishart說，我們自身其實就是一大組生化反應(yīng)，“因此，基因組和蛋白質(zhì)組不斷進化來支持代謝組，而不是相反的路徑?！?Wishart說，有別于其他組學(xué)方法，代謝組學(xué)提供了一種更加直接的生理狀態(tài)檢測方式。代謝組反應(yīng)營養(yǎng)、脅迫或者疾病狀態(tài)的速度比轉(zhuǎn)錄組或者蛋白質(zhì)組要快得多。這使得代謝組在許多領(lǐng)域都非常吃香，如環(huán)境毒理學(xué)、進化和發(fā)育、疾病診斷與治療反饋、以及藥物、殺蟲劑和除草劑的研發(fā)等。代謝組流動檢測幫助合成生物學(xué)家揭示遺傳改變?nèi)绾斡绊懲泛彤a(chǎn)物。

　　作為組學(xué)家族最年輕的成員，代謝組學(xué)發(fā)展勢頭正勁。2014年，國際代謝組學(xué)學(xué)會主辦了他們的第10次年會，與首次會議是同一座城市：日本鶴崗市。“第一年，我們有大約150人參會?！蹦珷柋敬髮W(xué)助理教授、該校的澳大利亞代謝組分站負(fù)責(zé)人Ute Roessner說，“今年我們有超過500名注冊參會人。而且代謝組學(xué)已經(jīng)成為了每位研究者研究工具的一部分?，F(xiàn)在，年輕的研究者定期開展代謝組學(xué)工作，作為他們博士工作的一部分?！?/p>

　　代謝組學(xué)最主要的挑戰(zhàn)根植于它的優(yōu)點。代謝組數(shù)據(jù)很強大，因為生物體具有許多的代謝物，包括相關(guān)的前體、衍生物和具有一定濃度的降解產(chǎn)物，它們都極具多樣性且變化迅速。這種復(fù)雜性需要精妙的分離和檢測方法。代謝組學(xué)包括了脂類分析，這是一個極具潛力的發(fā)展領(lǐng)域，賽默飛世爾科技公司策略市場部經(jīng)理黃盈盈(音譯)說：“脂質(zhì)組學(xué)與心血管疾病、癌癥、糖尿病和肥胖癥直接相關(guān)。然而脂質(zhì)在體內(nèi)的結(jié)構(gòu)和濃度極具多樣性，能達到10倍的變異?！痹S多生理脂類和其他代謝物共享一種化學(xué)組成，僅僅在排列上具有差別。因此，加州大學(xué)戴維斯分校教授、西海岸代謝組學(xué)中心主任Oliver Fiehn將代謝組學(xué)稱為“異構(gòu)體科學(xué)”。

　　儀器的決策樹

　　人們對代謝組學(xué)的興趣不斷增長，促使分子分離和檢測儀器的制造商研發(fā)出各種針對代謝組學(xué)的硬件、軟件和技術(shù)支撐。當(dāng)研究人員需要將這些技術(shù)帶進實驗室時，他們面臨著復(fù)雜的決策樹。第一個分支就是非靶向還是靶向的分析。非靶向方法在所有可能的組分上聚集數(shù)據(jù)。靶向分析則聚焦于已知的組分，經(jīng)常是數(shù)量上的變化，例如在脅迫和疾病的反應(yīng)過程中。

　　核磁共振光譜學(xué)(NMR)對于靶向分析來說尤為強大，因為它可定量、可重復(fù)，適合于檢測復(fù)雜樣品如血液、尿液或僅需少量或不經(jīng)過處理的少量組織提取物。芬蘭奧盧大學(xué)分子流行病學(xué)負(fù)責(zé)人Peter Würtz最近作為共同作者發(fā)表了一篇文章，該項工作利用布魯克公司的儀器，將NMR代謝組學(xué)應(yīng)用于數(shù)千個愛沙尼亞和芬蘭的生物銀行樣品中。研究團隊找到了四種生物標(biāo)記，當(dāng)組合在一起時，與各種情況的猝死風(fēng)險的提高顯著相關(guān)。Würtz指出，這一研究是觀測性的，并沒有探究其機制，但卻展示了NMR在生物標(biāo)記分析中的能力。然而，使用NMR的代謝組學(xué)分析也存在局限，因為它的靈敏性比更加流行的代謝組學(xué)方法“質(zhì)譜分析法(MS)”要低好幾個數(shù)量級。

　　質(zhì)譜需要樣品處理。組分通常需要離子化并經(jīng)過分離，最常用的方法是氣相色譜(GC)和液相色譜(LC)法。毛細(xì)管電泳(CE)能很好地分離極性代謝物，能夠用到與單細(xì)胞一般大小的樣品中。毛細(xì)管電泳—質(zhì)譜聯(lián)用是人類代謝組技術(shù)公司(HMT)的特色產(chǎn)品，而像安捷倫和愛博才思等企業(yè)也提供該產(chǎn)品。但是，毛細(xì)管電泳技術(shù)需要專業(yè)的操作者和強大的軟件來分析遷移時間中的漂動，安捷倫代謝組項目經(jīng)理Theodore Sana說。

　　毛細(xì)管電泳—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的強大之處在于解析那些易于揮發(fā)或者能夠通過衍生物揮發(fā)出來的物質(zhì)，例如原初中心代謝的小分子。而液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)則特別適用于大的、熱不穩(wěn)定的有機分子，包括許多次生代謝產(chǎn)物、較大的碳水化合物和脂類。一些諸如超高效液相色譜(UPLC，最初由Waters公司研發(fā))、超臨界流體色譜和離子遷移分離法的新進展，提高了速度和分離能力，囊括了非極性分子和具有多種異構(gòu)體或異位體的組分(例如脂類)。分離方法與質(zhì)譜分析器偶聯(lián)起來，例如飛行時間(TOF)質(zhì)量分析器，能夠快速、高分辨率地解析大質(zhì)量范圍的分子。加入四級或線性離子捕獲器可以選擇在離子化過程中產(chǎn)生的特定成分或組分片段。一旦研究者完成了代謝組特性的分類，他們就可以決定是購買儀器還是將樣品送往服務(wù)機構(gòu)。

　　供應(yīng)和服務(wù)商的選擇

　　安捷倫提供有氣質(zhì)聯(lián)用、液質(zhì)聯(lián)用、毛細(xì)管質(zhì)譜聯(lián)用和NMR等儀器。Sana 說：“作為單個供應(yīng)商能提供所有這些技術(shù)，包括了硬件、軟件和技術(shù)支持，我們具有不可替代的位置?！?島津公司也提供被研究人員推薦為廉價的原初裝置的多種系統(tǒng)。)用戶對安捷倫提供的直觀軟件給予了好評，Sana證實這確實是公司優(yōu)先考慮的事情。舉例來說，安捷倫的GeneSpring —質(zhì)模專業(yè)版軟件用于多重組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析。Sana 說，“GeneSpring可以使你采用來源于RNA、蛋白質(zhì)和代謝物完全不同的數(shù)據(jù)，并將它們動態(tài)地映射在生物通路上，就像KEGG(一種代謝通路工具)那樣。” GeneSpring也支持預(yù)處理來自其他廠商平臺的數(shù)據(jù)，例如作為一個電子表格。使用一個通路工具對來源于大量實驗的結(jié)果進行可視化，這對于搜集生物學(xué)洞察力、計劃接下來的實驗來說十分有用，Sana說。

　　愛博才思專注于液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀，研究人員高度評價了該儀器快速的數(shù)據(jù)獲取，卓越的動態(tài)范圍，以及定量化和準(zhǔn)確的質(zhì)量能力(通常定義為百萬分之五或更低的精度)。該公司也提供毛細(xì)管電泳和離子遷移的選擇。對于代謝組學(xué)來說，愛博才思推薦三聯(lián)TOF和QTrap系統(tǒng)。公司高級市場經(jīng)理Fadi Abdi說，“我們的三聯(lián)TOF是進行定性定量分析的高分辨率、精確質(zhì)譜儀，適合于代謝組學(xué)的發(fā)展。Qtrap是為要求靈敏性、靶向性和定量性的工作流程所設(shè)計的?！盇bdi這樣解釋，為了鑒定、確認(rèn)和定量產(chǎn)物，三聯(lián)TOF系列的高獲取速度可以在一個液相時間段的單次進樣中同時完成質(zhì)譜和串聯(lián)質(zhì)譜分析。Qtrap的多重反應(yīng)檢測器提供父本化合物的數(shù)據(jù)和由質(zhì)譜隨后產(chǎn)生的片段，簡化數(shù)據(jù)處理流程并使研究者對他們的數(shù)據(jù)具有信心，愛博才思代謝組和脂質(zhì)組學(xué)應(yīng)用部門研究員Baljit Ubhi說。

　　那些尋找廣泛代謝物覆蓋的研究者可以考慮愛博才思的組合包，融入了愛博才思的高分辨率液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)和力可公司的高分辨率氣質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)。這一合作為客戶提供了“兩種技術(shù)的精華”，力可市場技術(shù)部主任 Jeff Patrick說。組合包中包括了來源于Genedata公司的軟件，能夠?qū)碓从趦蓚€平臺的數(shù)據(jù)整合以提供可靠的代謝組學(xué)分析。

　　另一種流行的多功能液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜選擇是賽默飛世爾科技公司基于軌道阱(Orbitrap)技術(shù)的儀器。軌道阱質(zhì)譜分析儀通常用于蛋白質(zhì)組，但是在整合了一個高級分離系統(tǒng)(如UPLC)時，它的高分辨率能力尤其適用于代謝組學(xué)的分析，黃盈盈說。平行檢測消除了為了加速樣品分析所需的多重運行。賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品線上的最新系統(tǒng)是具有三個質(zhì)譜分析儀的軌道阱融合三雜交系統(tǒng)。液相分離以后，通過四極孔樣品過濾，并在隨后的軌道阱和線性離子捕獲中進行可能的平行分析。黃盈盈說，三雜交系統(tǒng)的設(shè)計初衷是為研究人員提供靈活性與精確的質(zhì)譜性能。

　　賽默飛世爾科技、愛博才思和布魯克也提供質(zhì)譜成像的儀器，這也被稱為MALDI成像法。Roessner解釋，這種方法克服了代謝組學(xué)的一個局限：代謝物分析通常只能在均一化的樣品或提取物中進行，但是那些特定的細(xì)胞和組織卻具有不同的代謝物特征。質(zhì)譜成像技術(shù)為一個纖薄的組織切片(例如，來源于一個器官或植物組織中)提供了代謝物空間分布的圖像。這一過程是使用激光解吸將矩陣處理的樣品進行組分離子化，然后再使用質(zhì)譜進行分析。對組分進行二維圖像的重建提供了組織間代謝物的定位。

　　Roessner在該項技術(shù)中使用了布魯克系統(tǒng)，他說：“盡管仍在初級階段，但這是一種令人興奮的方法。它可以用于觀察肺部樣品中藥物相關(guān)代謝物的分布，或者去追蹤環(huán)境刺激后，組織中代謝物分布的改變。”賽默飛世爾科技的軌道阱系統(tǒng)在此方法上具有優(yōu)勢，黃盈盈說：“因為離子是來源于組織的，沒有經(jīng)過液相分離，你需要一種超高分辨率的儀器，就像軌道阱。”

　　對于不打算購買系統(tǒng)或者傾向于服務(wù)所帶來的便捷性的研究者來說，他們也有很多選擇。Biocrates公司和Metabolon公司都面向全球提供質(zhì)譜代謝組學(xué)分析服務(wù)。Metabolon公司也涉獵大型、長期的合作，例如Craig Venter的人類壽命項目，Metabolon 公司銷售市場高級副總裁Chris Bernard說，在代謝組學(xué)如何付諸實踐、如何用于一系列項目中的問題上，合作對于Metabolon公司而言很重要。

　　NMR代謝組學(xué)所具備的優(yōu)勢在于不通過標(biāo)準(zhǔn)曲線的真正定量，樣品可保留，可實現(xiàn)最少樣品的操作，單次反應(yīng)就能檢測到所有帶有結(jié)構(gòu)信息的代謝物。但是科學(xué)家對于它的興趣可能會受到裝機成本的阻礙。研究人員可以通過服務(wù)商來獲取這種方法，例如Chenomx公司。Würtz和他的同事也通過Brainshake公司提供NMR代謝組學(xué)的服務(wù)與合作。這是建立在他們使用NMR進行生物標(biāo)記研究的經(jīng)驗，并將代謝組學(xué)數(shù)據(jù)與全基因組關(guān)聯(lián)研究聯(lián)系起來，該研究將遺傳變異和疾病風(fēng)險聯(lián)系在一起。

　　代謝組學(xué)服務(wù)機構(gòu)正在通過國家和學(xué)術(shù)中心設(shè)施快速增長。在澳大利亞，Roessner屬于第一批建立政府資助的國家代謝組服務(wù)平臺。加拿大也資助國家代謝組的項目，其他國家也在這個領(lǐng)域跟進。在美國，國立衛(wèi)生研究院(NIH)共同基金早在2012年就開始建立代謝組學(xué)的區(qū)域中心。負(fù)責(zé)西海岸項目的Fiehn說：“這些中心提高了代謝組學(xué)的能力，能夠為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界服務(wù)，而且他們有不同的特色，例如肯塔基中心的代謝流平臺和北卡羅來納的核磁共振平臺?！眹⑿l(wèi)生研究院的中心平臺也為初次接觸代謝組學(xué)的科學(xué)家提供短期課程。

　　下一步挑戰(zhàn)

　　當(dāng)被問到代謝組學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)時，研究人員和供應(yīng)商一致認(rèn)為有三點：對未知物的鑒定;研發(fā)出可供查詢的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，就像GenBank的基因組資源;代謝組學(xué)與其他全系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合。

　　“質(zhì)譜太過于敏感，因此我們得到了大量物質(zhì)，卻不知道它們是什么?！盬ishart說。為了幫助研究者進行代謝物鑒定，安捷倫研發(fā)了氣質(zhì)和液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜的數(shù)據(jù)庫，專供基于質(zhì)譜技術(shù)的代謝物鑒定。力可公司提供了一個GC-TOF的數(shù)據(jù)庫，據(jù)Patrick表示可用于任何氣相色譜的數(shù)據(jù)，盡管該數(shù)據(jù)庫是為力可公司的儀器而進行的優(yōu)化。力可公司目前正在探索與高分辨率精確質(zhì)譜庫進行合作的機會。

　　Wishart意識到，最未知的是代謝物中的代謝物：“分解產(chǎn)物和由酶轉(zhuǎn)換而來的或者具有微生物活性的分子。”這種分子的相似性是鑒定它們的關(guān)鍵因素。Fiehn團隊研發(fā)了一些商業(yè)化的質(zhì)譜文庫，也在開發(fā)虛擬文庫。研究人員可以從物質(zhì)已知的譜圖數(shù)據(jù)出發(fā)，來預(yù)測相似的或修飾變異物的譜圖。LipidBlast是Fiehn團隊開發(fā)的串聯(lián)質(zhì)譜虛擬譜庫，超過20萬種脂類可供免費下載。

　　為了面對數(shù)據(jù)整合和可搜索性所帶來的挑戰(zhàn)，代謝組界采取了一些舉措，推動數(shù)據(jù)存儲庫的建立。例如位于英國的Metabolights是由歐洲代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(COSMOS)聯(lián)盟所支持的，該聯(lián)盟制定了代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。還有代謝組學(xué)工作平臺(Metabolomics Workbench)，該平臺旨在建立國立衛(wèi)生研究院資助下的代謝組項目的數(shù)據(jù)庫。賽默飛世爾科技與Fiehn合作推出了mzcloud.org網(wǎng)站提供免費的社區(qū)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括在鑒定時有待注釋的未知組分的真實和虛擬譜圖。

　　即便是在代謝組學(xué)界有了存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫之后，Patrick仍意識到，鑒于大量數(shù)據(jù)的背景和意義，“系統(tǒng)生物學(xué)的首要挑戰(zhàn)是生物學(xué)干擾”。他認(rèn)為解決的方案是軟件，這“驅(qū)動著代謝組學(xué)的發(fā)展方向?！?Bernard也有同感，他表示Metabolon公司客戶首要的需求是幫助他們理解結(jié)果的生物學(xué)意義，“質(zhì)譜對于產(chǎn)生數(shù)據(jù)來說很不錯，挑戰(zhàn)在于從噪音中分離出信號：85%的質(zhì)譜數(shù)據(jù)點都是噪音”。Metabolon公司的客戶可以使用MetaboLync的門戶網(wǎng)站，其中包含了他們樣品中的一系列代謝物，對比擁有超過1.4萬種組分的本地文庫，用于自動認(rèn)證代謝物的鑒定，Bernard補充道，另外該門戶最強大的特性在于，它具有在通路水平可視化并探索數(shù)據(jù)的能力。

　　隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，儀器供應(yīng)商和服務(wù)提供商都迫切地期待與用戶在他們的代謝組學(xué)研究上展開合作和討論，不僅是買賣關(guān)系，而且可以掌握當(dāng)前動態(tài)。“我們正與一些科研人員開展密切合作?！盨ana 說，“在推進代謝組學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展中，研究人員往往是新點子的來源?！?/p>

　　(譯者之一高大海系中國科學(xué)院海洋研究所助理研究員)

　　Chris Tachibana 是美國西雅圖和丹麥哥本哈根的科學(xué)作家。

　　原文：What's next in 'omics: The metabolome