Wu Enhui, Qiao Liang*
Departemen Kimia, Universitas Fudan, Shanghai 200433, China
Mikroorganisme ana hubungane karo penyakit lan kesehatan manungsa. Cara ngerteni komposisi komunitas mikroba lan fungsine minangka masalah utama sing kudu ditliti kanthi cepet. Ing taun-taun pungkasan, metaproteomik wis dadi sarana teknis sing penting kanggo nyinaoni komposisi lan fungsi mikroorganisme. Nanging, amarga kerumitan lan heterogenitas sampel komunitas mikroba sing dhuwur, pangolahan sampel, akuisisi data spektrometri massa lan analisis data wis dadi telung tantangan utama sing saiki diadhepi dening metaproteomik. Ing analisis metaproteomik, asring perlu kanggo ngoptimalake pretreatment saka macem-macem jinis conto lan nggunakake macem-macem pemisahan mikroba, pengayaan, ekstraksi lan skema lisis. Kaya proteome saka spesies siji, mode akuisisi data spektrometri massa ing metaproteomik kalebu mode akuisisi gumantung data (DDA) lan mode akuisisi data-independen (DIA). Mode akuisisi data DIA bisa ngumpulake informasi peptida saka sampel kanthi lengkap lan nduweni potensi pangembangan gedhe. Nanging, amarga kerumitan conto metaproteome, analisis data DIA wis dadi masalah utama sing ngalangi jangkoan jero metaproteomik. Ing babagan analisis data, langkah sing paling penting yaiku pambangunan basis data urutan protein. Ukuran lan kelengkapan database ora mung nduwe pengaruh gedhe ing jumlah identifikasi, nanging uga mengaruhi analisis ing tingkat spesies lan fungsional. Saiki, standar emas kanggo pambangunan database metaproteome yaiku basis data urutan protein adhedhasar metagenome. Ing wektu sing padha, metode panyaring basis data umum adhedhasar panelusuran iteratif uga wis kabukten nduweni nilai praktis sing kuwat. Saka perspektif strategi analisis data tartamtu, metode analisis data DIA sing berpusat peptida wis ngetrapake arus utama. Kanthi pangembangan sinau jero lan intelijen buatan, bakal ningkatake akurasi, jangkoan lan kacepetan analisis analisis data makroproteomik. Ing babagan analisis bioinformatika hilir, serangkaian alat anotasi wis dikembangake ing taun-taun pungkasan, sing bisa nindakake anotasi spesies ing tingkat protein, tingkat peptida lan tingkat gen kanggo entuk komposisi komunitas mikroba. Dibandhingake karo metode omics liyane, analisis fungsional komunitas mikroba minangka fitur unik saka macroproteomics. Macroproteomics wis dadi bagéyan penting saka analisis multi-omics komunitas mikroba, lan isih nduweni potensi pembangunan gedhe ing babagan ambane jangkoan, sensitivitas deteksi, lan analisis data jangkep.
01 Sample pretreatment
Saiki, teknologi metaproteomik wis akeh digunakake ing riset microbiome manungsa, lemah, panganan, segara, endhas aktif lan lapangan liyane. Dibandhingake karo analisis proteome saka spesies siji, pretreatment sampel metaproteome saka conto Komplek ngadhepi liyane tantangan. Komposisi mikroba ing conto nyata kompleks, macem-macem dinamis akeh banget, struktur tembok sel saka macem-macem jinis mikroorganisme beda banget, lan conto kasebut asring ngemot protein inang lan impurities liyane. Mulane, ing analisis metaproteome, asring perlu kanggo ngoptimalake macem-macem jinis conto lan nggunakake macem-macem pemisahan mikroba, pengayaan, ekstraksi lan skema lisis.
Ekstraksi metaproteom mikroba saka conto sing beda-beda nduweni persamaan tartamtu uga sawetara beda, nanging saiki ana kekurangan proses pra-pemrosesan terpadu kanggo macem-macem jinis conto metaproteome.
02 Akuisisi data spektrometri massa
Ing analisis proteome shotgun, campuran peptida sawise pretreatment pisanan dipisahake ing kolom kromatografi, lan banjur mlebu spektrometer massa kanggo akuisisi data sawise ionisasi. Kaya analisis proteome spesies tunggal, mode akuisisi data spektrometri massa ing analisis makroproteome kalebu mode DDA lan mode DIA.
Kanthi pengulangan terus-terusan lan nganyari instrumen spektrometri massa, instrumen spektrometri massa kanthi sensitivitas lan resolusi sing luwih dhuwur ditrapake kanggo metaproteome, lan ambane jangkoan analisis metaproteome uga terus ditingkatake. Kanggo wektu sing suwe, seri instrumen spektrometri massa resolusi dhuwur sing dipimpin dening Orbitrap wis akeh digunakake ing metaproteome.
Tabel 1 teks asli nuduhake sawetara studi perwakilan babagan metaproteomik wiwit taun 2011 nganti saiki babagan jinis sampel, strategi analisis, instrumen spektrometri massa, metode akuisisi, piranti lunak analisis, lan nomer identifikasi.
03Analisis data spektrometri massa
3.1 Strategi analisis data DDA
3.1.1 Panelusuran Database
3.1.2saikistrategi urutan
3.2 Strategi analisis data DIA
04Klasifikasi spesies lan anotasi fungsional
Komposisi komunitas mikroba ing tingkat taksonomi sing beda-beda minangka salah sawijining wilayah riset utama ing riset mikrobioma. Ing taun-taun pungkasan, sawetara alat anotasi wis dikembangake kanggo menehi anotasi spesies ing tingkat protein, tingkat peptida, lan tingkat gen kanggo entuk komposisi komunitas mikroba.
Inti saka anotasi fungsional yaiku mbandhingake urutan protein target karo database urutan protein fungsional. Nggunakake basis data fungsi gen kayata GO, COG, KEGG, eggNOG, lan sapiturute, analisis anotasi fungsional sing beda bisa ditindakake ing protein sing diidentifikasi dening macroproteomes. Piranti anotasi kalebu Blast2GO, DAVID, KOBAS, lsp.
05 Ringkesan lan Outlook
Mikroorganisme nduweni peran penting ing kesehatan lan penyakit manungsa. Ing taun-taun pungkasan, metaproteomik wis dadi sarana teknis sing penting kanggo nyinaoni fungsi komunitas mikroba. Proses analisis metaproteomik mirip karo proteomik spesies tunggal, nanging amarga kerumitan obyek riset metaproteomik, strategi riset spesifik kudu diadopsi ing saben langkah analisis, saka pretreatment sampel, akuisisi data nganti analisis data. Saiki, amarga perbaikan metode pretreatment, inovasi teknologi spektrometri massa sing terus-terusan lan pangembangan bioinformatika kanthi cepet, metaproteomik wis nggawe kemajuan gedhe ing jero identifikasi lan ruang lingkup aplikasi.
Ing proses pra-perawatan conto macroproteome, sifat sampel kudu dianggep luwih dhisik. Cara misahake mikroorganisme saka sel lan protein lingkungan minangka salah sawijining tantangan utama sing diadhepi macroproteomes, lan keseimbangan antara efisiensi pemisahan lan kerugian mikroba minangka masalah sing kudu ditanggulangi. Kapindho, ekstraksi protein mikroorganisme kudu nggatekake bedane sing disebabake heterogenitas struktur bakteri sing beda. Sampel macroproteome ing sawetara tilak uga mbutuhake cara pra-perawatan khusus.
Ing babagan instrumen spektrometri massa, instrumen spektrometri massa arus utama wis ngalami transisi saka spektrometer massa adhedhasar analisa massa Orbitrap kayata LTQ-Orbitrap lan Q Exactive dadi spektrometer massa adhedhasar mobilitas ion ditambah karo analisa massa wektu penerbangan kayata timsTOF Pro. . Seri instrumen timsTOF kanthi informasi dimensi mobilitas ion nduweni akurasi deteksi dhuwur, watesan deteksi kurang, lan bisa diulang apik. Padha mboko sithik dadi instrumen penting ing macem-macem bidang riset sing mbutuhake deteksi spektrometri massa, kayata proteome, metaproteome, lan metabolom saka spesies siji. Wigati dicathet yen kanggo wektu sing suwe, kisaran dinamis instrumen spektrometri massa wis mbatesi ambane jangkoan protein ing riset metaproteome. Ing mangsa ngarep, instrumen spektrometri massa kanthi jangkauan dinamis sing luwih gedhe bisa ningkatake sensitivitas lan akurasi identifikasi protein ing metaproteomes.
Kanggo akuisisi data spektrometri massa, sanajan mode akuisisi data DIA wis akeh diadopsi ing proteome spesies siji, analisis makroproteome saiki isih nggunakake mode akuisisi data DDA. Mode akuisisi data DIA bisa entuk informasi ion pecahan saka sampel, lan dibandhingake karo mode akuisisi data DDA, nduweni potensi kanggo entuk informasi peptida saka sampel macroproteome kanthi lengkap. Nanging, amarga kerumitan data DIA sing dhuwur, analisis data makroproteome DIA isih ngalami kesulitan gedhe. Pangembangan intelijen buatan lan sinau jero dikarepake bisa nambah akurasi lan jangkepe analisis data DIA.
Ing analisis data metaproteomik, salah sawijining langkah kunci yaiku pambangunan database urutan protein. Kanggo wilayah riset populer kayata flora usus, database mikroba usus kayata IGC lan HMP bisa digunakake, lan asil identifikasi sing apik wis diraih. Kanggo umume analisis metaproteomik liyane, strategi konstruksi database sing paling efektif yaiku nggawe database urutan protein khusus sampel adhedhasar data urutan metagenomik. Kanggo conto komunitas mikroba kanthi kerumitan dhuwur lan kisaran dinamis sing gedhe, perlu kanggo nambah ambane urutan kanggo nambah identifikasi spesies sing kurang akeh, saéngga nambah jangkoan database urutan protein. Nalika data sequencing kurang, cara telusuran iteratif bisa digunakake kanggo ngoptimalake database umum. Nanging, telusuran iteratif bisa mengaruhi kontrol kualitas FDR, mula asil panelusuran kudu dipriksa kanthi teliti. Kajaba iku, aplikasi model kontrol kualitas FDR tradisional ing analisis metaproteomik isih kudu diteliti. Ing babagan strategi telusuran, strategi perpustakaan spektral hibrida bisa nambah ambane jangkoan metaproteomik DIA. Ing taun-taun pungkasan, perpustakaan spektral sing diprediksi adhedhasar sinau jero wis nuduhake kinerja sing unggul ing proteomik DIA. Nanging, basis data metaproteome asring ngemot mayuta-yuta entri protein, sing ngasilake perpustakaan spektral kanthi skala gedhe, nggunakake sumber daya komputasi sing akeh, lan ngasilake papan telusuran sing gedhe. Kajaba iku, kamiripan antarane urutan protein ing metaproteomes beda-beda banget, dadi angel kanggo njamin akurasi model prediksi perpustakaan spektral, mula perpustakaan spektral sing diprediksi durung akeh digunakake ing metaproteomik. Kajaba iku, inferensi protein anyar lan strategi anotasi klasifikasi kudu dikembangake kanggo ditrapake ing analisis metaproteomik saka protein sing padha banget.
Ringkesan, minangka teknologi riset microbiome sing berkembang, teknologi metaproteomik wis entuk asil riset sing signifikan lan uga duwe potensi pangembangan gedhe.
Wektu kirim: Aug-30-2024