நுண்ணுயிர் மெட்டாபுரோட்டோமிக்ஸ்: மாதிரி செயலாக்கம், தரவு சேகரிப்பு முதல் தரவு பகுப்பாய்வு வரை

வூ என்ஹுய், கியாவோ லியாங்*

வேதியியல் துறை, ஃபுடான் பல்கலைக்கழகம், ஷாங்காய் 200433, சீனா

நுண்ணுயிரிகள் மனித நோய்களுக்கும் ஆரோக்கியத்திற்கும் நெருங்கிய தொடர்புடையவை. நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் கலவை மற்றும் அவற்றின் செயல்பாடுகளை எவ்வாறு புரிந்துகொள்வது என்பது அவசரமாக ஆய்வு செய்ய வேண்டிய ஒரு முக்கிய பிரச்சினையாகும். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், நுண்ணுயிரிகளின் கலவை மற்றும் செயல்பாட்டை ஆய்வு செய்வதற்கான முக்கிய தொழில்நுட்ப வழிமுறையாக மெட்டாபிரோட்டியோமிக்ஸ் மாறியுள்ளது. இருப்பினும், நுண்ணுயிர் சமூக மாதிரிகளின் சிக்கலான தன்மை மற்றும் உயர் பன்முகத்தன்மை காரணமாக, மாதிரி செயலாக்கம், மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தரவு கையகப்படுத்தல் மற்றும் தரவு பகுப்பாய்வு ஆகியவை தற்போது மெட்டாபிரோட்டியோமிக்ஸ் எதிர்கொள்ளும் மூன்று முக்கிய சவால்களாக மாறியுள்ளன. மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் பகுப்பாய்வில், பல்வேறு வகையான மாதிரிகளின் முன் சிகிச்சையை மேம்படுத்துவது மற்றும் பல்வேறு நுண்ணுயிர் பிரித்தல், செறிவூட்டல், பிரித்தெடுத்தல் மற்றும் சிதைவு திட்டங்களைப் பின்பற்றுவது அவசியம். ஒற்றை இனத்தின் புரோட்டியோமைப் போலவே, மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸில் உள்ள மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தரவு கையகப்படுத்தும் முறைகளில் தரவு சார்ந்த கையகப்படுத்தல் (டிடிஏ) முறை மற்றும் தரவு-சுயாதீன கையகப்படுத்தல் (டிஐஏ) முறை ஆகியவை அடங்கும். DIA தரவு கையகப்படுத்தல் பயன்முறையானது மாதிரியின் பெப்டைட் தகவலை முழுமையாக சேகரிக்க முடியும் மற்றும் சிறந்த வளர்ச்சி திறனைக் கொண்டுள்ளது. இருப்பினும், மெட்டாபுரோட்டியோம் மாதிரிகளின் சிக்கலான தன்மை காரணமாக, அதன் டிஐஏ தரவு பகுப்பாய்வு ஒரு பெரிய சிக்கலாக மாறியுள்ளது, இது மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸின் ஆழமான கவரேஜைத் தடுக்கிறது. தரவு பகுப்பாய்வின் அடிப்படையில், புரத வரிசை தரவுத்தளத்தை உருவாக்குவது மிக முக்கியமான படியாகும். தரவுத்தளத்தின் அளவு மற்றும் முழுமை அடையாளங்களின் எண்ணிக்கையில் பெரும் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துவது மட்டுமல்லாமல், இனங்கள் மற்றும் செயல்பாட்டு நிலைகளில் பகுப்பாய்வையும் பாதிக்கிறது. தற்போது, ​​மெட்டாபுரோட்டியோம் தரவுத்தளத்தை உருவாக்குவதற்கான தங்கத் தரமானது, மெட்டஜெனோமின் அடிப்படையிலான புரத வரிசை தரவுத்தளமாகும். அதே நேரத்தில், பொது தரவுத்தள வடிகட்டுதல் முறை மீண்டும் மீண்டும் தேடலின் அடிப்படையில் வலுவான நடைமுறை மதிப்பைக் கொண்டிருப்பதாக நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. குறிப்பிட்ட தரவு பகுப்பாய்வு உத்திகளின் கண்ணோட்டத்தில், பெப்டைட்-மையப்படுத்தப்பட்ட DIA தரவு பகுப்பாய்வு முறைகள் ஒரு முழுமையான முக்கிய நீரோட்டத்தை ஆக்கிரமித்துள்ளன. ஆழ்ந்த கற்றல் மற்றும் செயற்கை நுண்ணறிவின் வளர்ச்சியுடன், மேக்ரோபுரோட்டியோமிக் தரவு பகுப்பாய்வின் துல்லியம், கவரேஜ் மற்றும் பகுப்பாய்வு வேகத்தை இது பெரிதும் ஊக்குவிக்கும். கீழ்நிலை பயோ-இன்ஃபர்மேடிக்ஸ் பகுப்பாய்வின் அடிப்படையில், சமீப ஆண்டுகளில் தொடர்ச்சியான சிறுகுறிப்பு கருவிகள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன, அவை நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் கலவையைப் பெற புரத நிலை, பெப்டைட் நிலை மற்றும் மரபணு மட்டத்தில் இனங்கள் சிறுகுறிப்பைச் செய்ய முடியும். மற்ற ஓமிக்ஸ் முறைகளுடன் ஒப்பிடுகையில், நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் செயல்பாட்டு பகுப்பாய்வு மேக்ரோபுரோட்டியோமிக்ஸின் தனித்துவமான அம்சமாகும். நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் மல்டி-ஓமிக்ஸ் பகுப்பாய்வின் முக்கிய பகுதியாக மேக்ரோபுரோட்டியோமிக்ஸ் மாறியுள்ளது, மேலும் கவரேஜ் ஆழம், கண்டறிதல் உணர்திறன் மற்றும் தரவு பகுப்பாய்வு முழுமை ஆகியவற்றின் அடிப்படையில் இன்னும் சிறந்த வளர்ச்சி திறனைக் கொண்டுள்ளது.

01 மாதிரி முன் சிகிச்சை

தற்போது, ​​மனித நுண்ணுயிர், மண், உணவு, கடல், செயலில் உள்ள கசடு மற்றும் பிற துறைகளின் ஆராய்ச்சியில் மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் தொழில்நுட்பம் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஒரு இனத்தின் புரோட்டியோம் பகுப்பாய்வோடு ஒப்பிடும்போது, ​​சிக்கலான மாதிரிகளின் மெட்டாபுரோட்டீமின் மாதிரி முன் சிகிச்சை அதிக சவால்களை எதிர்கொள்கிறது. உண்மையான மாதிரிகளில் உள்ள நுண்ணுயிர் கலவை சிக்கலானது, மிகுதியின் மாறும் வரம்பு பெரியது, பல்வேறு வகையான நுண்ணுயிரிகளின் செல் சுவர் அமைப்பு மிகவும் வேறுபட்டது, மேலும் மாதிரிகள் பெரும்பாலும் அதிக அளவு புரவலன்கள் மற்றும் பிற அசுத்தங்களைக் கொண்டிருக்கின்றன. எனவே, மெட்டாபுரோட்டியோமின் பகுப்பாய்வில், பல்வேறு வகையான மாதிரிகளை மேம்படுத்துவது மற்றும் பல்வேறு நுண்ணுயிர் பிரித்தல், செறிவூட்டல், பிரித்தெடுத்தல் மற்றும் சிதைவு திட்டங்களைப் பின்பற்றுவது அவசியம்.

வெவ்வேறு மாதிரிகளிலிருந்து நுண்ணுயிர் மெட்டாபுரோட்டியோம்களைப் பிரித்தெடுப்பதில் சில ஒற்றுமைகள் மற்றும் சில வேறுபாடுகள் உள்ளன, ஆனால் தற்போது பல்வேறு வகையான மெட்டாபுரோட்டீம் மாதிரிகளுக்கு ஒரு ஒருங்கிணைந்த முன்-செயலாக்க செயல்முறையின் பற்றாக்குறை உள்ளது.

02மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தரவு கையகப்படுத்தல்

ஷாட்கன் புரோட்டியோம் பகுப்பாய்வில், முன் சிகிச்சைக்குப் பிறகு பெப்டைட் கலவையானது குரோமடோகிராஃபிக் நெடுவரிசையில் முதலில் பிரிக்கப்படுகிறது, பின்னர் அயனியாக்கத்திற்குப் பிறகு தரவுப் பெறுதலுக்காக மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமீட்டரில் நுழைகிறது. ஒற்றை இனங்கள் புரோட்டியோம் பகுப்பாய்வைப் போலவே, மேக்ரோபுரோட்டீம் பகுப்பாய்வில் உள்ள மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தரவு கையகப்படுத்தும் முறைகளில் டிடிஏ பயன்முறை மற்றும் டிஐஏ பயன்முறை ஆகியவை அடங்கும்.

மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகளின் தொடர்ச்சியான மறு செய்கை மற்றும் புதுப்பித்தலுடன், அதிக உணர்திறன் மற்றும் தெளிவுத்திறன் கொண்ட மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகள் மெட்டாபுரோட்டியோமில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, மேலும் மெட்டாபுரோட்டீம் பகுப்பாய்வின் கவரேஜ் ஆழமும் தொடர்ந்து மேம்படுத்தப்படுகிறது. நீண்ட காலமாக, ஆர்பிட்ராப் தலைமையிலான உயர்-தெளிவுத்திறன் கொண்ட மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகளின் தொடர் மெட்டாபுரோட்டீமில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

அசல் உரையின் அட்டவணை 1, மாதிரி வகை, பகுப்பாய்வு உத்தி, மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவி, கையகப்படுத்தும் முறை, பகுப்பாய்வு மென்பொருள் மற்றும் அடையாளங்களின் எண்ணிக்கை ஆகியவற்றின் அடிப்படையில் 2011 முதல் தற்போது வரை மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் குறித்த சில பிரதிநிதித்துவ ஆய்வுகளைக் காட்டுகிறது.

03மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தரவு பகுப்பாய்வு

3.1 DDA தரவு பகுப்பாய்வு உத்தி

3.1.1 தரவுத்தள தேடல்

3.1.2டி நோவோவரிசைப்படுத்தும் உத்தி

3.2 DIA தரவு பகுப்பாய்வு உத்தி

04இனங்களின் வகைப்பாடு மற்றும் செயல்பாட்டு சிறுகுறிப்பு

வெவ்வேறு வகைபிரித்தல் மட்டங்களில் உள்ள நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் கலவை நுண்ணுயிர் ஆராய்ச்சியின் முக்கிய ஆராய்ச்சிப் பகுதிகளில் ஒன்றாகும். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் கலவையைப் பெறுவதற்கு புரத நிலை, பெப்டைட் நிலை மற்றும் மரபணு மட்டத்தில் இனங்களை சிறுகுறிப்பு செய்ய தொடர்ச்சியான சிறுகுறிப்பு கருவிகள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன.

செயல்பாட்டு சிறுகுறிப்பின் சாராம்சம், இலக்கு புரத வரிசையை செயல்பாட்டு புரத வரிசை தரவுத்தளத்துடன் ஒப்பிடுவதாகும். GO, COG, KEGG, eggNOG போன்ற மரபணு செயல்பாட்டு தரவுத்தளங்களைப் பயன்படுத்தி, மேக்ரோபுரோட்டீம்களால் அடையாளம் காணப்பட்ட புரதங்களில் வெவ்வேறு செயல்பாட்டு சிறுகுறிப்பு பகுப்பாய்வுகளைச் செய்யலாம். சிறுகுறிப்பு கருவிகளில் Blast2GO, DAVID, KOBAS போன்றவை அடங்கும்.

05 சுருக்கம் மற்றும் அவுட்லுக்

மனித ஆரோக்கியம் மற்றும் நோய்களில் நுண்ணுயிரிகள் முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன. சமீபத்திய ஆண்டுகளில், நுண்ணுயிர் சமூகங்களின் செயல்பாட்டை ஆய்வு செய்வதற்கான முக்கிய தொழில்நுட்ப வழிமுறையாக மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் மாறியுள்ளது. மெட்டாபிரோட்டியோமிக்ஸின் பகுப்பாய்வு செயல்முறை ஒற்றை-இன புரோட்டியோமிக்ஸைப் போன்றது, ஆனால் மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸின் ஆராய்ச்சி பொருளின் சிக்கலான தன்மை காரணமாக, மாதிரி முன் சிகிச்சை, தரவு பெறுதல் தரவு பகுப்பாய்வு வரை ஒவ்வொரு பகுப்பாய்வு படியிலும் குறிப்பிட்ட ஆராய்ச்சி உத்திகள் பின்பற்றப்பட வேண்டும். தற்போது, ​​முன்சிகிச்சை முறைகளின் முன்னேற்றம், மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தொழில்நுட்பத்தின் தொடர்ச்சியான கண்டுபிடிப்பு மற்றும் பயோ-இன்ஃபர்மேடிக்ஸ், மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் ஆகியவற்றின் விரைவான வளர்ச்சிக்கு நன்றி, அடையாளம் ஆழம் மற்றும் பயன்பாட்டு நோக்கத்தில் பெரும் முன்னேற்றம் ஏற்பட்டுள்ளது.

மேக்ரோபுரோட்டீம் மாதிரிகளின் முன்-சிகிச்சையின் செயல்பாட்டில், மாதிரியின் தன்மையை முதலில் கருத்தில் கொள்ள வேண்டும். சுற்றுச்சூழல் செல்கள் மற்றும் புரதங்களிலிருந்து நுண்ணுயிரிகளை எவ்வாறு பிரிப்பது என்பது மேக்ரோபுரோட்டீம்கள் எதிர்கொள்ளும் முக்கிய சவால்களில் ஒன்றாகும், மேலும் பிரிப்பு திறன் மற்றும் நுண்ணுயிர் இழப்பு ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான சமநிலை தீர்க்கப்பட வேண்டிய அவசரப் பிரச்சினையாகும். இரண்டாவதாக, நுண்ணுயிரிகளின் புரதம் பிரித்தெடுத்தல் வெவ்வேறு பாக்டீரியாக்களின் கட்டமைப்பு பன்முகத்தன்மையால் ஏற்படும் வேறுபாடுகளை கணக்கில் எடுத்துக்கொள்ள வேண்டும். சுவடு வரம்பில் உள்ள மேக்ரோபுரோட்டோம் மாதிரிகளுக்கு குறிப்பிட்ட முன் சிகிச்சை முறைகளும் தேவைப்படுகின்றன.

மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகளைப் பொறுத்தவரை, பிரதான மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகள் ஆர்பிட்ராப் வெகுஜன பகுப்பாய்விகளான LTQ-Orbitrap மற்றும் Q Exactive போன்ற மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமீட்டர்களை அடிப்படையாகக் கொண்ட மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமீட்டர்களில் இருந்து அயன் இயக்கத்தின் அடிப்படையில் மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமீட்டர்களுக்கு மாறியுள்ளன, timsTOF Pro . அயன் மொபிலிட்டி பரிமாணத் தகவலுடன் கூடிய timsTOF தொடர் கருவிகள் அதிக கண்டறிதல் துல்லியம், குறைந்த கண்டறிதல் வரம்பு மற்றும் நல்ல மறுநிகழ்வு ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளன. அவை படிப்படியாக பல்வேறு ஆராய்ச்சித் துறைகளில் முக்கியமான கருவிகளாக மாறிவிட்டன, அவை மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கண்டறிதல் தேவைப்படுகிறது, அதாவது ஒரே இனத்தின் புரோட்டியோம், மெட்டாபுரோட்டீம் மற்றும் வளர்சிதை மாற்றம் போன்றவை. நீண்ட காலமாக, மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகளின் டைனமிக் வரம்பு மெட்டாபுரோட்டியோம் ஆராய்ச்சியின் புரத கவரேஜ் ஆழத்தை மட்டுப்படுத்தியுள்ளது என்பது கவனிக்கத்தக்கது. எதிர்காலத்தில், பெரிய டைனமிக் வரம்பைக் கொண்ட மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி கருவிகள் மெட்டாபுரோட்டியோம்களில் புரத அடையாளத்தின் உணர்திறன் மற்றும் துல்லியத்தை மேம்படுத்தலாம்.

மாஸ் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி தரவு கையகப்படுத்துதலுக்கு, டிஐஏ தரவு கையகப்படுத்தல் முறையானது ஒரு இனத்தின் புரோட்டியோமில் பரவலாக ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்டாலும், பெரும்பாலான தற்போதைய மேக்ரோபுரோட்டீம் பகுப்பாய்வுகள் இன்னும் டிடிஏ தரவு கையகப்படுத்தல் பயன்முறையைப் பயன்படுத்துகின்றன. DIA தரவு கையகப்படுத்தல் பயன்முறையானது மாதிரியின் துண்டு அயனித் தகவலை முழுமையாகப் பெற முடியும், மேலும் DDA தரவு கையகப்படுத்தும் முறையுடன் ஒப்பிடுகையில், இது மேக்ரோபுரோட்டீம் மாதிரியின் பெப்டைட் தகவலை முழுமையாகப் பெறுவதற்கான ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளது. இருப்பினும், டிஐஏ தரவின் அதிக சிக்கலான தன்மை காரணமாக, டிஐஏ மேக்ரோபுரோட்டீம் தரவின் பகுப்பாய்வு இன்னும் பெரும் சிரமங்களை எதிர்கொள்கிறது. செயற்கை நுண்ணறிவு மற்றும் ஆழமான கற்றலின் வளர்ச்சி DIA தரவு பகுப்பாய்வின் துல்லியம் மற்றும் முழுமையை மேம்படுத்தும் என எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.

மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸின் தரவு பகுப்பாய்வில், புரத வரிசை தரவுத்தளத்தை உருவாக்குவது முக்கிய படிகளில் ஒன்றாகும். குடல் தாவரங்கள் போன்ற பிரபலமான ஆராய்ச்சி பகுதிகளுக்கு, IGC மற்றும் HMP போன்ற குடல் நுண்ணுயிர் தரவுத்தளங்கள் பயன்படுத்தப்படலாம், மேலும் நல்ல அடையாள முடிவுகள் அடையப்பட்டுள்ளன. மற்ற பெரும்பாலான மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் பகுப்பாய்வுகளுக்கு, மெட்டாஜெனோமிக் வரிசைமுறை தரவுகளின் அடிப்படையில் மாதிரி-குறிப்பிட்ட புரத வரிசை தரவுத்தளத்தை நிறுவுவதே மிகவும் பயனுள்ள தரவுத்தள கட்டுமான உத்தி. அதிக சிக்கலான மற்றும் பெரிய டைனமிக் வரம்பைக் கொண்ட நுண்ணுயிர் சமூக மாதிரிகளுக்கு, குறைந்த மிகுதியான உயிரினங்களை அடையாளம் காண வரிசைமுறை ஆழத்தை அதிகரிக்க வேண்டியது அவசியம், இதன் மூலம் புரத வரிசை தரவுத்தளத்தின் கவரேஜை மேம்படுத்துகிறது. வரிசைப்படுத்துதல் தரவு இல்லாதபோது, ​​பொதுத் தரவுத்தளத்தை மேம்படுத்த, மீண்டும் மீண்டும் தேடும் முறையைப் பயன்படுத்தலாம். இருப்பினும், மீண்டும் மீண்டும் தேடுதல் FDR தரக் கட்டுப்பாட்டைப் பாதிக்கலாம், எனவே தேடல் முடிவுகளை கவனமாகச் சரிபார்க்க வேண்டும். கூடுதலாக, மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் பகுப்பாய்வில் பாரம்பரிய FDR தரக் கட்டுப்பாட்டு மாதிரிகளின் பொருந்தக்கூடிய தன்மை இன்னும் ஆராயத்தக்கது. தேடல் உத்தியின் அடிப்படையில், கலப்பின நிறமாலை நூலக உத்தியானது DIA மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸின் கவரேஜ் ஆழத்தை மேம்படுத்த முடியும். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், ஆழ்ந்த கற்றலின் அடிப்படையில் உருவாக்கப்பட்ட கணிக்கப்பட்ட நிறமாலை நூலகம் DIA புரோட்டியோமிக்ஸில் சிறந்த செயல்திறனைக் காட்டியுள்ளது. இருப்பினும், மெட்டாபுரோட்டீம் தரவுத்தளங்கள் பெரும்பாலும் மில்லியன் கணக்கான புரத உள்ளீடுகளைக் கொண்டிருக்கின்றன, இதன் விளைவாக பெரிய அளவிலான கணிக்கப்பட்ட நிறமாலை நூலகங்கள் உருவாகின்றன, நிறைய கணினி வளங்களைப் பயன்படுத்துகின்றன, மேலும் ஒரு பெரிய தேடல் இடத்தை விளைவிக்கிறது. கூடுதலாக, மெட்டாபுரோட்டியோம்களில் உள்ள புரத வரிசைகளுக்கு இடையிலான ஒற்றுமை பெரிதும் மாறுபடுகிறது, இது நிறமாலை நூலக முன்கணிப்பு மாதிரியின் துல்லியத்தை உறுதி செய்வதை கடினமாக்குகிறது, எனவே கணிக்கப்பட்ட நிறமாலை நூலகங்கள் மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படவில்லை. கூடுதலாக, அதிக வரிசை-ஒத்த புரதங்களின் மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் பகுப்பாய்விற்குப் பயன்படுத்த புதிய புரத அனுமானம் மற்றும் வகைப்படுத்தல் சிறுகுறிப்பு உத்திகள் உருவாக்கப்பட வேண்டும்.

சுருக்கமாக, வளர்ந்து வரும் நுண்ணுயிர் ஆராய்ச்சி தொழில்நுட்பமாக, மெட்டாபுரோட்டியோமிக்ஸ் தொழில்நுட்பம் குறிப்பிடத்தக்க ஆராய்ச்சி முடிவுகளை அடைந்துள்ளது மற்றும் மிகப்பெரிய வளர்ச்சி திறனையும் கொண்டுள்ளது.