中國農(nóng)科院油料作物研究所：化學(xué)標(biāo)記代謝組學(xué)中體積校正自由能預(yù)測保留時間輔助結(jié)構(gòu)鑒定新方法

近日，中國農(nóng)科院油料作物研究所油料品質(zhì)化學(xué)與加工利用創(chuàng)新團(tuán)隊在分析化學(xué)領(lǐng)域國際著名學(xué)術(shù)期刊Analytical Chemistry (中科院一區(qū)TOP期刊，IF:8.008)上發(fā)表了題為“Volume-Corrected Free Energy as a New Criterion for Structural Elucidation in Chemical-Tagging-based Metabolomics”的研究性論文。該研究初步研究建立了化學(xué)標(biāo)記代謝組學(xué)中體積校正自由能（VFE）預(yù)測保留時間維度用于提高未知化合物結(jié)構(gòu)鑒定效率的一種新方法。

保留時間（r.t.）是基于液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）的代謝組學(xué)技術(shù)中未知化合物結(jié)構(gòu)解析的主要維度之一。預(yù)測未知化合物的保留時間可以在一定程度上減少通過已有實驗結(jié)果信息（r.t.，質(zhì)荷比m/z，MS/MS信息）進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定時的假陽性結(jié)果。現(xiàn)階段預(yù)測保留時間主要有三個方向，包括（1）基于深度學(xué)習(xí)/機(jī)器學(xué)習(xí)的保留時間預(yù)測；（2）歸一化保留時間、保留指數(shù)和保留順序等轉(zhuǎn)化保留時間預(yù)測；（3）定量結(jié)構(gòu)-保留關(guān)系（QSRR）模型構(gòu)建。其中，QSRR模型是最流行的預(yù)測保留時間手段，其通過一個或多個代謝物分子描述符或固液界面分子描述符與已知分析物的保留時間建立數(shù)學(xué)關(guān)系模型，用于預(yù)測未知化合物的保留時間。然而，QSRR模型開發(fā)依賴于多個不同軟件計算描述，涉及軟件切換。不同化合物的QSRR模型所涉及描述符差異較大，有時一個模型僅適用于一類化合物。準(zhǔn)備計算一些重要的描述符往往非常耗時，需要高性能計算機(jī)。化學(xué)標(biāo)記作為代謝組學(xué)中常用技術(shù)，不僅可提高分析物覆蓋率和檢測靈敏度，也會改變代謝物保留時間，從而導(dǎo)致其在LC-MS分析中不同的保留行為。然而，很少有研究預(yù)測化學(xué)標(biāo)記代謝物的保留時間。構(gòu)建一種耗時少、預(yù)測性能好、通用性強(qiáng)的基于物理化學(xué)性質(zhì)的保留時間預(yù)測方法或描述符對于基于化學(xué)標(biāo)記的LC-MS分析中未知物保留特征的識別和結(jié)構(gòu)解析具有重要意義。

Figure 1. Schematic of the new descriptor volume-corrected free energy (VFE) for structural elucidation in LC-MS analysis.

VFE描述符輔助結(jié)構(gòu)解析的工作原理主要是基于反相色譜中代謝物理論計算VFE值與其保留時間直接相關(guān)。通過預(yù)測VFE值作為保留時間理論指標(biāo)用于識別感興趣未知代謝物的主要步驟包括（1）使用有限的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品來確定未知代謝物在給定反相色譜柱上的保留行為；（2）從自建或公共數(shù)據(jù)庫（Metlin、MassBank、HMDB、CLMD等）中獲得測得m/z的可能化學(xué)式列表，然后使用化學(xué)式列表生成假定化學(xué)結(jié)構(gòu)，最后利用付費或免費軟件在計算機(jī)上計算VFE值；（3）通過簡單的線性回歸計算未知代謝物的VFE值范圍，然后對上述化學(xué)式列表進(jìn)行結(jié)構(gòu)剔除過濾，獲得候選化合物結(jié)構(gòu)信息；（4）合成或購買候選化合物進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)品比對，完成結(jié)構(gòu)鑒定。在基于化學(xué)標(biāo)記的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析中，VFE計算大大縮短了結(jié)構(gòu)解析時間（Figure 1）。

Figure 2. Identification of C15-OH from aged camellia seed oil by calculating the VFE values of putative compounds with m/z 290 Da, including six position isomers of Py-C15-OH and five isomers with the same protonation ion at m/z 290 Da.

作者給出了山茶油中正十五醇（C15-OH）的結(jié)構(gòu)鑒定用于說明基于VFE計算的結(jié)構(gòu)解析步驟。在老化山茶油（用吡啶試劑標(biāo)記羥基官能團(tuán)）中檢測到一種r.t. 13.7 min@m/z 290 Da的未知化合物。從公開數(shù)據(jù)庫中，檢索出5個分子量為289 g mol-1 （質(zhì)子化離子為m/z 290 Da）的化合物，包括(R)-1-phenyltetradecan-1-amine（C15-1）、N-tetradecyl-benzenamine （C15-2）、dihydroabiethylamine（C15-3）、N-Arachidonylamine（C15-4）、1-(1-cyclohexyl-2-nonyn-1-yl)-piperidine（C15-5）和6個吡啶羥基衍生物的位置異構(gòu)體，包括 1-(pentadecan-2-yl)pyridine-1-ium （1C15）、 1-(pentadecan-3-yl)pyridine-1-ium（2C15）、1-(pentadecan-4-yl)pyridine-1-ium （3C15）、1-(pentadecan-5-yl)pyridine-1-ium （4C15）、1-(pentadecan-6-yl)pyridine-1-ium （5C15）、1-(pentadecan-7-yl)pyridine-1-ium （6C15）（Figure 2）。然后計算這些化合物的VFE值。在老化山茶油中添加C13-OH、C14-OH、C16-OH和C17-OH等的吡啶衍生物，得到它們的保留時間，計算得到VFE-r.t.線性回歸方程（y=0.118x-2.9，r=0.9817）。前述未知化合物（r.t. 13.7 min@m/z 290 Da）的相對VFE值為-0.7718 kcal mol-1。根據(jù)VFE區(qū)域圖像，C15-1至C15-5的相對VFE值范圍為-0.0008 ~ 6.4851 kcal mol-1, 1C15至6C15的相對VFE值范圍為-1.2106 ~ -1.7203 kcal mol-1(帶陰影的方形區(qū)域)，而其中Py-C15-OH的相對VFE值為-0.7126 kcal mol-1，與未知化合物預(yù)測的相對VFE值接近，推測該未知物可能為C15-OH的吡啶衍生產(chǎn)物。最后，將該未知化合物用穩(wěn)定同位素試劑[2H5]吡啶進(jìn)行標(biāo)記，并與C15-OH標(biāo)準(zhǔn)品的吡啶標(biāo)記試劑和[2H5]吡啶試劑的標(biāo)記產(chǎn)物進(jìn)行保留時間偏差、穩(wěn)定同位素質(zhì)量偏差（Δm 5.03 Da）和二級質(zhì)譜碎片離子質(zhì)量偏差和穩(wěn)定同位素碎片離子質(zhì)量偏差等比對，確定該未知物為C15-OH。若采用傳統(tǒng)比對方法，需要購買較多標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行驗證，而采用VFE計算和區(qū)域圖像分析可極大減少用于結(jié)構(gòu)驗證的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品的合成或購置和一些不必要的MS/MS指紋圖譜分析。

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金青年基金項目（No.22104155）和武漢市科技局知識創(chuàng)新專項曙光計劃項目（2060299-089-077）的資助。中國農(nóng)科院油料作物研究所肖華明博士和中南民族大學(xué)碩士研究生彭小會為本文的共同第一作者，肖華明博士和魏芳研究員為本文共同通訊作者，中國農(nóng)科院油料作物研究所為第一單位。論文其他合作者包括中南民族大學(xué)王獻(xiàn)教授、常州大學(xué)趙帥副教授、卡拉奇大學(xué)Dilshad Hussain助理教授和島津企業(yè)管理(中國)有限公司武漢分公司駱丹、陳建立工程師等。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c00722

文章引用：doi.org/10.1021/acs.analchem.3c00722

文章信息：Hua-Ming Xiao, Xiao-Hui Peng, Di Rao, Shuai Zhao, Dilshad Hussain, Jian-Li Chen, Dan Luo, Dan Wang, Xin Lv, Xian Wang, Fang Wei, Hong Chen, Volume-Corrected Free Energy as a New Criterion for Structural Elucidation in Chemical Tagging-based Metabolomics, Analytical Chemistry, doi:10.1021/acs.analchem.3c00722.

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原創(chuàng)：油料脂質(zhì)分析實驗室

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