Blad Spray massespektrometri: En rask Ambient ionisering teknikk å vurdere direkte metabolitter fra anlegget vev
Summary
Blad spray massespektrometri er en direkte kjemiske analyser teknikk som minimerer eksempel utarbeidelsen og eliminerer Ture, slik at for rask påvisning av små molekyler fra anlegget vev.
Abstract
Plantene produsere tusenvis av små molekyler som er forskjellige i deres kjemiske egenskaper. Massespektrometri (MS) er en kraftfull teknikk for å analysere anlegget metabolitter fordi det gir molekylvekt høy sensitivitet og spesifisitet. Blad spray MS er en ambient ionisering teknikk der anlegget vev brukes for direkte kjemisk analyse via electrospray, eliminere kromatografi fra prosessen. Denne tilnærmingen til prøvetaking metabolitter tillater et bredt spekter av kjemiske klasser kan oppdages samtidig fra intakt anlegget vev, minimere mengden sample preparatet er nødvendig. Når den brukes med en høy oppløsning, nøyaktig masse MS, muliggjør blad spray MS rask påvisning av metabolitter av interesse. Det er også mulig å samle tandem masse fragmentering data med denne teknikken å lette en sammensatt ID. Kombinasjonen av nøyaktig masse målinger og fragmentering er gunstig i bekrefter sammensatte identiteter. Blad spray MS teknikken krever kun mindre modifikasjoner til en nanospray ionization kilde og er en nyttig verktøyet å ytterligere utvide egenskapene til en masse spectrometer. Her, er friske blad vev fra Sceletium tortuosum (Aizoaceae), en tradisjonell medisinsk plante fra Sør-Afrika analysert; mange mesembrine alkaloider oppdages med blad spray MS.
Introduction
Planter inneholder en rekke små molekyler med forskjellige kjemiske egenskaper. MS er en kraftfull teknikk for å analysere anlegget forbindelser fordi den kan gi grunnleggende komposisjoner med høy sensitivitet og spesifisitet av identifikasjon av metabolitter1. Oftest utføres MS på løsemiddel-utpakkede prøver, som er atskilt med kromatografi før MS analyse1. Men bruk av flytende kromatografi (Langbane) krever lengre analyse ganger og er ofte forbundet med en vid prøve forberedelse1. Derimot er direkte kjemiske analyser av intakt vev som omgår kromatografi en svært rask teknikk, krever minimal eksempel forberedelse2. Dermed i tilfeller hvor brukt kromatografiske trinnene kan være forgone kan en direkte kjemisk analyse være svært fordelaktig.
Typisk LC-MS for naturlige produkter og metabolomics forskning er avhengig av lange bulk utdrag av tørket eller frosset plantemateriale som inneholder flere vev og cellen typer3. Alternativt, direkte kjemiske analyser, for eksempel MS påvisning av metabolitter fra anlegget vev, kan isolere celletyper og unngå forberedelse gjenstander4. Blad spray MS, også referert til som vev-spray5,6, er en direkte ambient ionisering MS teknikk, som krever egentlig eksempel forberedelse5,7. Blad spray MS er nært knyttet til papir spray MS, en ambient ionisering teknikk med karakteristikker av electrospray ionization som tillater påvisning av analytter som er avsatt til papir7. Til tross for navnet, blad spray MS gjelder for ulike typer anlegg vev, går ikke bare, og har vært vist på frukt, frø, røtter, blomster vev og knoller, blant annet6,8,9, 10,11,12. Teknikken forenkler ionisering av endogene fytokjemikaliene direkte fra plantemateriale i den masse spectrometer oppdagelsen8. Blad spray MS gir også informasjon om den romlige fordelingen av kjemikalier i ulike vev typer i planter13. Når blad spray MS sammenlignes med løsemiddel utvinning og LC-MS, tyder resultatene blad spray MS gir mulighet for rask påvisning av overflaten metabolitter fra unike typer som trichomes13. Figur 1 illustrerer blad spray MS eksperimentelle set-up. Direkte electrospray ionization oppstår etter kun mindre kilde modifikasjoner. En høy spenning brukes til anlegget vev via en metall klemme, produsere en spray av omfattende dråper danner en Taylor membran som bærer ioner i ion innløpet til MS. Electrospray ionization oppstår fra naturlige væske av anlegget eller den løsemiddel appl IED til anlegget overflaten. En spiss tupp på vev gjør electrospray og kan være naturlig forekommende eller opprettes ved å kutte.
Blad spray MS er en rask metode for kvalitativ og semi kvantitativ analyse av intakt anlegget vev som funnet verktøyet for en rekke applikasjoner. For eksempel er teknikken brukt til å oppdage endogene forbindelser å skille beslektede arter, og til å vurdere endringer i samme art dyrket under ulike forhold. Tidligere studier har vist denne tilnærmingen ved å måle metabolitter i beautyberry (Callicarpa L.) 12 og amerikanske ginseng (Panax quinquefolium L.) 6. i det siste eksemplet, ginsenosides, aminosyrer og oligosaccharides kan bli oppdaget etter wetting rå ginseng vev. Vill og dyrket amerikanske ginseng var differensiert fra tuber skiver6. Ginseng tuber integritet ble bevart etterfølgende blad spray MS, som tillot en påfølgende morfologiske og mikroskopiske inspeksjon6. Videre kan også eksogene forbindelser på anlegget prøver oppdages. En rekke plantevernmidler (acetamiprid, diphenylamine, imazalil, linuron og thiabendazole) er identifisert på skallet eller masse frukt og grønnsaker9. Mens disse studiene og mange andre har vist verktøyet blad spray MS for ulike bestemte formål, er en detaljert protokoll ikke tidligere rapportert.
Her vil protokollen beskrivelsen ikke fokusere på optimalisering av metoden for en bestemt vev eller sammensatte. Snarere gjenkjenning av mesembrine alkaloider fra Sceletium tortuosum (L.) N.E.Br. (Aizoaceae) brukes som et eksempel for å diskutere de nødvendige optimalisering tiltakene som skal tas når en blad spray MS eksperiment for Art, vev, eller Compound(s) for første gang. S. tortuosum er en saftig endemisk til halvtørre Karroo regionen i Sør-Afrika. En tradisjonell medisin i San og khoikhoi khoikhoi folkeslag, det ble brukt for appetitt og tørst undertrykkelse så vel som for sine psykotrope og smertestillende effekter14,15. Foreløpig brukes standardisert ekstrakter for behandling av nevropsykiatriske og nevropsykologiske lidelser16,17. Den primære forbindelser av interesse inkluderer alkaloidet mesembrine og dets derivater, hvorav mange er også funnet i relaterte Sceletium arter15. Både vill og dyrket populasjoner av S. tortuosum har variabel konsentrasjoner av mesembrine alkaloider, dermed presentere en kvalitetskontroll utfordring18. En metode for rask påvisning av mesembrine alkaloider, som blad spray MS, kan være nyttig i overvåking Sceletium produkter. Fordi det hadde vært noen detaljert visuell eksperimentelle protokoll for blad spray MS teknikk, vi vil illustrere metoden vi bruker eksemplet med S. tortuosumog følgende er beskrevet tidligere: endring av en nanospray kilde, den valg og utarbeidelse av anlegget vev, oppkjøpet av dataene, tolkningen av resultatene, og optimalisering av parameterne MS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vellykket bruk av denne protokollen er avhengig av optimalisering av trinnene for de plantearter, vev og målet compound(s) rundt. Parameterne som beskrives i protokollen gir et godt utgangspunkt. Følgende eksperimentelle avgjørelser må gjøres og testet: hvorvidt bruk (1) kutt eller uncut vev og (2) løsemiddel eller ingen løsemiddel, (3) hva løsemiddel bruke og hva volum, (4) hva avstanden av ion innløp bør være , og (5) spenning amplitude. Målet med optimering er å finne betingelsene som oppretter et kontinu…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansiert av NSF anlegget Genome Research Program stipendet IOS-1238812 og postdoktorstipend i biologi IOS-1400818. Arbeidet ble også finansiert av en Monsanto Graduate Student fellesskap til Katherine A. Sammons. Den Fulbright afrikanske forsker Scholars Program (2017-2018) er takket for finansiering tildelt Nokwanda P. Makunga. Vi setter stor pris på donasjon av en nanospray kilde fra Jessica Prenni og Proteomikk og Metabolomics anlegget ved Colorado State University.
Materials
| Conn Pin | Digi-Key elctronics | WM2563CT-ND | pin will insert into Thermo Scientific source to provide voltage |
| small clamp | Digi-Key elctronics | 314-1018-ND | CLIP MICRO ALLIGATOR COPPER 5A |
| large clamp | Digi-Key elctronics | 290-1951-ND | ALLIGATOR CLIP NARROW NICKLE 5A |
| Heat shrink | Digi-Key elctronics | Q2Z1-KIT-ND | to cover soldering joints |
| NSI source Nanospray Ion Source | Thermo scientific | NA | Another brand will work if you are not using a Thermo instrument |
| Q Exactive- hybrid quadrupole Orbitrap | Thermo scientific | NA | Another brand will work if you are not using a Thermo instrument |
| Tune Software | Thermo scientific | Another brand will work if you are not using a Thermo instrument | |
| Xcalibur Software | Thermo scientific | ||
| Plant of interest – S. tortousum |
Riferimenti
- Pitt, J. J. Principles and applications of liquid chromatography – mass spectrometry in clinical biochemistry. The Clinical Biochemist Reviews. 30 (1), 19-34 (2009).
- Cooks, R. G., Ouyang, Z., Takats, Z., Wiseman, J. M. Detection technologies. Ambient mass spectrometry. Science. 311 (5767), 1566-1570 (2006).
- Kim, H. K., Verpoorte, R. Sample preparation for plant metabolomics. Phytochemical Analysis. 21 (1), 4-13 (2010).
- Takats, Z., Wiseman, J. M., Gologan, B., Cooks, R. Mass spectrometry sampling under ambient conditions with desorption electrospray ionization. Science. 306 (5695), 471-473 (2004).
- Liu, J., Wang, H., Cooks, R. G., Ouyang, Z. Leaf spray: direct chemical analysis of plant material and living plants by mass spectrometry. Analytical Chemistry. 83 (20), 7608-7613 (2011).
- Chan, S. L. -. F., Wong, M. Y. -. M., Tang, H. -. W., Che, C. -. M., Ng, K. -. M. Tissue-spray ionization mass spectrometry for raw herb analysis. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 25 (19), 2837-2843 (2011).
- Wang, H., Liu, J., Cooks, R. G., Ouyang, Z. Paper spray for direct analysis of complex mixtures using mass spectrometry. Angewandte Chemie International Edition. 49 (5), 877-880 (2010).
- Liu, J., Wang, H., Cooks, R. G., Ouyang, Z. Leaf spray: Direct chemical analysis of plant material and living plants by mass spectrometry. Analytical Chemistry. 83 (20), 7608-7613 (2011).
- Malaj, N., Ouyang, Z., Sindona, G., Cooks, R. G. Analysis of pesticide residues by leaf spray mass spectrometry. Analytical Methods. 4 (7), 1913-1919 (2012).
- Snyder, D. T., Schilling, M. C., Hochwender, G., Kaufman, A. D. Analytical methods profiling phenolic glycosides in Populus deltoides and Populus grandidentata by leaf spray ionization tandem mass spectrometry. Analytical Methods. 7 (3), 870-876 (2015).
- Falcone, C. E., Cooks, R. G. Molecular recognition of emerald ash borer infestation using leaf spray mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 30 (11), 1304-1312 (2016).
- Liu, J., Gu, Z., Yao, S., Zhang, Z., Chen, B. Rapid analysis of Callicarpa L. using direct spray ionization mass spectrometry. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 124, 93-103 (2016).
- Freund, D. M., Martin, A. C., Cohen, J. D., Hegeman, A. D. Direct detection of surface localized specialized metabolites from Glycyrrhiza lepidota (American licorice) by leaf spray mass spectrometry. Planta. 247 (1), 267-275 (2018).
- Smith, M. T., Crouch, N. R., Gericke, N., Hirst, M. Psychoactive constituents of the genus Sceletium N.E.Br. and other Mesembryanthemaceae: a review. Journal of Ethnopharmacology. 50 (3), 119-130 (1996).
- Gerickea, N., Viljoen, A. M. Sceletium-a review update. Journal of Ethnopharmacology. 119 (3), 653-663 (2008).
- Terburg, D., et al. Acute effects of Sceletium tortuosum (Zembrin), a dual 5-HT reuptake and PDE4 inhibitor, in the human amygdala and its connection to the hypothalamus. Neuropsychopharmacology. 38 (13), 2708-2716 (2013).
- Coetzee, D. D., López, V., Smith, C. High-mesembrine Sceletium extract (TrimesemineTM) is a monoamine releasing agent, rather than only a selective serotonin reuptake inhibitor. Journal of Ethnopharmacology. 177, 111-116 (2016).
- Shikanga, E. A., et al. In vitro permeation of mesembrine alkaloids from Sceletium tortuosum across porcine buccal, sublingual, and intestinal mucosa. Planta Medica. 78 (3), 260-268 (2012).
- Pulliam, C. J., Bain, R. M., Wiley, J. S., Ouyang, Z., Cooks, R. G. Mass spectrometry in the home and garden. Journal of The American Society for Mass Spectrometry. 26 (2), 224-230 (2015).
- Lawton, Z. E., et al. Analytical validation of a portable mass spectrometer featuring interchangeable, ambient ionization sources. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 28 (6), 1048-1059 (2017).
- . GNPS Available from: https://gnps.ucsd.edu/ (2018)
- Chambers, M. C., et al. A cross-platform toolkit for mass spectrometry and proteomics. Nature Biotechnology. 30 (10), 918-920 (2012).
- Pluskal, T., Castillo, S., Villar-Briones, A., Ore, M. MZmine2: modular framework for processing, visualizing, and analyzing mass spectrometry-based molecular profile data. BMC Bioinformatics. 11, 395 (2010).
- Meyer, G. M. J., Wink, C. S. D., Zapp, J., Maurer, H. H. GC-MS, LC-MS(n), LC-high resolution-MS(n), and NMR studies on the metabolism and toxicological detection of mesembrine and mesembrenone, the main alkaloids of the legal high "Kanna" isolated from Sceletium tortuosum. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407 (3), 761-778 (2015).
- Zhang, N., et al. Rapid detection of polyhydroxylated alkaloids in mulberry using leaf spray mass spectrometry. Analytical Methods. 5 (10), 2455-2460 (2013).
- Pereira, I., et al. Rapid screening of agrochemicals by paper spray ionization and leaf spray mass spectrometry: which technique is more appropriate?. Analytical Methods. 8, 6023-6029 (2016).
- Zhang, J. I., Li, X., Cooks, R. G. Direct analysis of steviol glycosides from Stevia leaves by ambient ionization mass spectrometry performed on whole leaves. The Analyst. 137 (13), 3091-3098 (2012).
- Freund, D. M., Hegeman, A. D. Recent advances in stable isotope-enabled mass spectrometry-based plant metabolomics. Current Opinion in Biotechnology. 43, 41-48 (2017).
- Wurtzel, E. T., Kutchan, T. M. Plant metabolism, the diverse chemistry set of the future. Science. 353 (6305), 1232-1236 (2016).
