中國(guó)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(cè)保留時(shí)間輔助結(jié)構(gòu)鑒定新方法

近日，中國(guó)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(duì)在分析化學(xué)領(lǐng)域國(guó)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(cè)保留時(shí)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(shí)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(cè)未知化合物的保留時(shí)間可以在一定程度上減少通過(guò)已有實(shí)驗(yàn)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(shí)的假陽(yáng)性結(jié)果。現(xiàn)階段預(yù)測(cè)保留時(shí)間主要有三個(gè)方向，包括（1）基于深度學(xué)習(xí)/機(jī)器學(xué)習(xí)的保留時(shí)間預(yù)測(cè)；（2）歸一化保留時(shí)間、保留指數(shù)和保留順序等轉(zhuǎn)化保留時(shí)間預(yù)測(cè)；（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(cè)保留時(shí)間手段，其通過(guò)一個(gè)或多個(gè)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(shí)間建立數(shù)學(xué)關(guān)系模型，用于預(yù)測(cè)未知化合物的保留時(shí)間。然而，QSRR模型開(kāi)發(fā)依賴(lài)于多個(gè)不同軟件計(jì)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(shí)一個(gè)模型僅適用于一類(lèi)化合物。準(zhǔn)備計(jì)算一些重要的描述符往往非常耗時(shí)，需要高性能計(jì)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(cè)靈敏度，也會(huì)改變代謝物保留時(shí)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(cè)化學(xué)標(biāo)記代謝物的保留時(shí)間。構(gòu)建一種耗時(shí)少、預(yù)測(cè)性能好、通用性強(qiáng)的基于物理化學(xué)性質(zhì)的保留時(shí)間預(yù)測(cè)方法或描述符對(duì)于基于化學(xué)標(biāo)記的LC-MS分析中未知物保留特征的識(shí)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(jì)算VFE值與其保留時(shí)間直接相關(guān)。通過(guò)預(yù)測(cè)VFE值作為保留時(shí)間理論指標(biāo)用于識(shí)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(lái)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(kù)（Metlin、MassBank、HMDB、CLMD等）中獲得測(cè)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(fèi)或免費(fèi)軟件在計(jì)算機(jī)上計(jì)算VFE值；（3）通過(guò)簡(jiǎn)單的線性回歸計(jì)算未知代謝物的VFE值范圍，然后對(duì)上述化學(xué)式列表進(jìn)行結(jié)構(gòu)剔除過(guò)濾，獲得候選化合物結(jié)構(gòu)信息；（4）合成或購(gòu)買(mǎi)候選化合物進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)品比對(duì)，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(jì)算大大縮短了結(jié)構(gòu)解析時(shí)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(shuō)明基于VFE計(jì)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(cè)到一種r.t. 13.7 min@m/z 290 Da的未知化合物。從公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)中，檢索出5個(gè)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(gè)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(jì)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(shí)間，計(jì)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(duì)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(duì)VFE值范圍為-0.0008 ~ 6.4851 kcal mol-1, 1C15至6C15的相對(duì)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(duì)VFE值為-0.7126 kcal mol-1，與未知化合物預(yù)測(cè)的相對(duì)VFE值接近，推測(cè)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(shí)間偏差、穩(wěn)定同位素質(zhì)量偏差（Δm 5.03 Da）和二級(jí)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(duì)，確定該未知物為C15-OH。若采用傳統(tǒng)比對(duì)方法，需要購(gòu)買(mǎi)較多標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行驗(yàn)證，而采用VFE計(jì)算和區(qū)域圖像分析可極大減少用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品的合成或購(gòu)置和一些不必要的MS/MS指紋圖譜分析。

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（No.22104155）和武漢市科技局知識(shí)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)曙光計(jì)劃項(xiàng)目（2060299-089-077）的資助。中國(guó)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(huì)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(guó)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(guó))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(shí)驗(yàn)室

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