诺米代谢新成员——代谢流分析Metabolic Flux Analysis

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能量代谢是细胞的基本特征之一。在不同的营养和能量来源下，细胞通过代谢调控维持稳定的代谢水平，这对机体来说是非常重要的。如果代谢失调，就可能引起多种代谢紊乱疾病，如肿瘤、糖尿病等。重要代谢途径，包括糖酵解、磷酸戊糖途径、三羧酸循环（TCA循环）、谷氨酰胺还原羧化途径等[1]。

代谢组学研究结果反映了某一时刻样本中代谢物的丰度，是一种静态的研究，但往往同一种代谢产物会参与多条代谢通路，来自于多条合成途径，尤其是在能量代谢的研究中。通常的代谢组学研究尚不能解释代谢物的来源，而代谢流分析通过同位素标记的方法，可以追踪代谢网络中下游代谢物的动态信息。

代谢流分析概述

代谢流分析（Metabolic Flux Analysis，MFA），通过向细胞中添加同位素标记的底物（例如13C标记的葡萄糖），使用质谱法测量下游代谢物中出现的同位素掺入模式，进行代谢流研究，可以得到标记底物在代谢网络中的代谢流向和分布，进而得到代谢通路的活跃状态。

代谢流分析应用优势

1. 通过比较不同环境条件及各种代谢性疾病的不同代谢途径的代谢流量的分布变化，揭示出相关疾病发生发展过程中的主要代谢通路及其早期诊断的标志物。

2. 通过^{13C代谢流量技术对胞内外的中间代谢物的变化示踪，可以鉴定出基因工程菌的关键的代谢通路和活性，为最大程度提高目标代谢产物的合成提供直接的依据。3. 通过比较分析细胞，组织及其血样和尿液在基因改造的前后的代谢功能变化，为药物靶点治疗提供直接依据。}

代谢流分析案例分享

1. 代谢流分析在肿瘤研究中的应用

水溶性酵母β-D-葡聚糖（WSG）是一种新型的自噬抑制剂，在体内对肝癌细胞的增殖、代谢和肿瘤生长具有显着的抑制作用。通过代谢流分析展示了WSG抑制自噬降低了糖酵解和TCA循环途径的代谢，进一步揭示了WSG通过增加溶酶体pH值和抑制溶酶体组织蛋白酶（组织蛋白酶B和组织蛋白酶D）的活性来抑制自噬降解，从而导致受损线粒体的积累和活性氧的产生^[2]。

2. 代谢流分析在代谢工程中的应用

葡萄糖和木糖是木质纤维素生物量分解产生的两种最丰富的糖。通过使用最新的^{13C代谢流分析（13C-MFA）技术，对有氧和无氧条件下的葡萄糖和木糖代谢进行了全面表征。具体来说，通过进行平行标记实验和使用最佳示踪剂[1,2-13C]葡萄糖、[1,6-13C]葡萄糖、[1,2-13C]木糖和[5-13C]木糖通过整合13C-MFA分析数据，量化了每种情况下的精确代谢通量。还应用[U-13C]葡萄糖和[U-13C]木糖示踪剂对生物量组成的变化进行了量化，并确认了大分子的周转[3]。}

3. 代谢流分析在发酵工程中的应用

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是工业化生产S-腺苷-L-蛋氨酸（SAM）的宿主，在医药和营养补充剂工业中得到广泛应用。本研究采用^{13C代谢流分析法（13C-MFA）研究乙醇产SAM的代谢调控。结果表明，乙醇培养的三羧酸循环和乙醛酸分流的代谢通量水平显着高于葡萄糖。根据13C-MFA数据分析，乙醇通过增加氧化磷酸化产生过量的ATP，乙醇同化条件下细胞内ATP水平同样高于葡萄糖。乙醇同化促进ATP再生是SAM高积累的关键[4]。}

诺米代谢代谢流分析项目

1. 项目流程

2. 项目内容

注：样品标记除13C-glucose外，还可用^{13C-glutamine或者标记其他底物等(如：乳酸，丙酮酸，丝氨酸等）的细胞，具体培养标记方法，及检测列表可详询销售工程师或技术支持。}

3. 仪器平台

岛津GCMS-QP Ultra

Sciex TripleTOF 6600

Sciex Qtrap 5500

参考文献

[1] Antoniewicz MR. A guide to13C metabolic flux analysis for the cancer biologist. Exp Mol Med. Apr 16;50(4):19.[2] Wang N, Liu H, Liu G, Li M, He X, Yin C, Tu Q, Shen X, Bai W, Wang Q, Tao Y,Yin H. Yeast β-D-glucan exerts antitumour activity in liver cancer throughimpairing autophagy and lysosomal function, promoting reactive oxygen speciesproduction and apoptosis. Redox Biol. May;32:101495.[3] Gonzalez JE, Long CP, Antoniewicz MR. Comprehensive analysis of glucose andxylose metabolism in Escherichia coli under aerobic and anaerobic conditions by13C metabolic flux analysis. Metab Eng. Jan;39:9-18.

[4] Hayakawa K, Matsuda F, Shimizu H.13C-metabolic flux analysis ofethanol-assimilating Saccharomyces cerevisiae for S-adenosyl-L-methionineproduction. Microb Cell Fact. May 31;17(1):82.

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