ЯМР-метаболомика: практический курс

Цель курса – познакомить слушателей с основами метаболомного анализа объектов различного происхождения (человеческого, животного или растительного с помощью метода спектроскопии ЯМР.

Курс содержит информацию об основах метаболомного анализа: раскрывает понятия о метаболомике, теоретических и практических основах спектроскопии ЯМР, описывает пробоподготовку образов для метаболомного анализа. Кроме того, в курсе изложены основы регистрации и первичной обработки спектров ЯМР, а также подробно разбирается анализ получаемых данных.

Курс создан для повышения уровня компетенции студентов бакалавриата и магистратуры, а также всех, кто интересуется метаболомными исследованиями.

Курс состоит из 6 следующих модулей:

1. Введение в метаболомный анализ.
2. Методы профилирования в метаболомике. Основы спектроскопии ЯМР.
3. Основы пробоподготовки и регистрации спектров ЯМР.
4. Программное обеспечение для обработки спектров ЯМР.
5. Базы данных метаболитов и статистические методы обработки полученных данных.
6. Примеры использования метода спектроскопии ЯМР в метаболомном анализе.

Содержание и описание курса:

1. Введение в метаболомный анализ. В данном модуле обучающимися будут изучены основные термины и понятия метаболомного анализа. Будут рассмотрены основные этапы проведения метаболомных исследований. Изучены области применения метаболомного анализа, а также объекты, которые возможно профилировать с помощью инструментальных методов анализа.

2. Методы профилирования в метаболомике. Основы спектроскопии ЯМР. В этом модуле курса будут рассмотрены основные инструментальные методы анализа в метаболомных исследованиях (масс-спектрометрия и спектроскопия ЯМР). Будут рассмотрены основы спектроскопии ЯМР.

3. Основы пробоподготовки и регистрации спектров ЯМР. В этом модуле будут рассмотрены основные моменты и этапы пробоподготовки, особенности пробоподготовки объектов различного происхождения (плазма и сыворотка крови, моча, кал и другие биофлюиды человека, растительные объекты). Также будут рассмотрены используемые в метаболомном анализе методом спектроскопии ЯМР импульсные последовательности (CPMG, 1D NOSY и т.д.) и особенности настройки этих экспериментов.  

4. Программное обеспечение для обработки спектров ЯМР. В этом модуле будут рассмотрены основное программное обеспечение, используемое для обработки спектров ЯМР (фазирование, настройка базовой линии и т.д.), а также программное обеспечение, используемое для метаболомного профилирования биологических жидкостей. Будут рассмотрены следующее программное обеспечение: MestRe Nova, Chenomx NMR Siute.

5. Базы данных метаболитов и статистические методы обработки полученных данных. В этом модуле будут рассмотрены основные базы данных метаболитов человека, продуктов питания и т.д. и возможность их использования в реальных исследованиях. Будут рассмотрены основные статистические походы к анализу массивов данных, получаемых при метаболомном профилировании образцов.

6. Примеры использования метода спектроскопии ЯМР в метаболомном анализе. В этом модуле будут рассмотрены примеры метаболомного анализа объектов различных биологических образцов.

1. Лекции по спектроскопии ЯМР. Профессор Устынюк Ю.А.https://www.chem.msu.ru/rus/teaching/ustyniuk-nmr-lectures/welcome.html
2. Human Metabolome Database (HMDB): https://hmdb.ca
3. Animal Metabolome Database (AMDB): https://animalmetabolome.ca
4. Food Database (FooDB): https://foodb.ca
5. Natural Product Metabolomics Reference Database (NP-MRD): http://np-mrd.com
6. Recent Advances in NMR-Based Metabolomics; https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6263946/
7. Studying Metabolism by NMR-Based Metabolomics; https://www.frontiersin.org/journals/molecular-biosciences/articles/10.3389/fmolb.2022.882487/full
8. Systematic Review of NMR-Based Metabolomics Practices in Human Studies; https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9609461/
9. Quantitative NMR-Based Biomedical Metabolomics: Current Status and Applications;    https://www.mdpi.com/1420-3049/25/21/5128
10. NMR-based plant metabolomics protocols: a step-by-step guide https://www.frontiersin.org/journals/natural-products/articles/10.3389/fntpr.2024.1414506/full
11. Recent Advancement in NMR Based Plant Metabolomics Techniques, Tools and Analytical Approaches https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10408347.2024.2375314
12. NMR-based metabolomics strategies: plants, animals and humans  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ay/c6ay03102a

Модуль 1. Введение в метаболомный анализ

Цель: познакомить слушателей с основами метаболомного анализа.  

Задачи:

• Познакомить слушателя с основными терминами и понятиями метаболомного анализа.
• Познакомить слушателя с основными этапами проведения метаболомных исследований.
• Познакомить слушателей с областями применения метаболомного анализа, а также с объектами, которые возможно профилировать с помощью инструментальных методов анализа.
• Познакомить слушателей с историей метаболомных исследований.

Результат: Слушатели узнают общую информацию о метаболомных исследованиях, разберутся в том, в каких областях возможно применение метаболомного анализа, какие объекты возможно профилировать с помощью инструментальных методов анализа, а также какие основные этапы проведения метаболомных исследований существуют.

В конце модуля предлагается тест на закрепление материала.

Модуль 2. Инструментальные методы метаболомного анализа.

Цель: познакомить слушателя с основными инструментальными методами анализа в метаболомных исследованиях (масс-спектрометрия и спектроскопия ЯМР), а также более подробно изучить основы спектроскопии ЯМР.

Задачи:

• Познакомить слушателя с хромато-масс-спектрометрией.
• Познакомить слушателя с основами спектроскопии ЯМР, а также явлением ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
• Познакомить слушателя с двумя типами спектрометров ЯМР.
• Познакомить слушателя с основными экспериментами в спектроскопии ЯМР.
• Познакомить слушателя с основными характеристиками спектров ЯМР на ядрах протия.
• Познакомить слушателя с необходимым набором вспомогательного оборудования, растворителей и химических реагентов для регистрации спектра ЯМР.

Результат: Слушатели узнают об основах хромато-масс-спектрометрии и спектроскопии ЯМР, о том, какие спектрометры ЯМР бывают. Узнают об основных экспериментах спектроскопии ЯМР, об основных характеристиках спектра ЯМР на ядрах протия, а также о вспомогательном оборудовании, растворителях и химических реагентах, необходимых для регистрации спектра ЯМР.

В конце модуля предлагается тест на закрепление материала.

Модуль 3. Пробоподготовка образцов.

Цель: познакомить слушателя с основными принципами пробоподготовки образцов, а также продемонстрировать их на практике.

Задачи:

• Познакомить слушателя с методами отбора и хранения проб.
• Познакомить слушателя с пробоподготовкой жидких и твердых образцов.
• Показать приготовление буферных растворов.
• Продемонстрировать методы удаления белков.
• Познакомить слушателя с экстракцией полярных и неполярных метаболитов.
• Познакомить слушателя с пробоподготовкой образцов растительного происхождения.
• Познакомить слушателя с основами техники безопасности при работе в химической лаборатории.

Результат: Слушатели узнают об основных принципах пробоподготовки образцов для метаболомных исследований.

В конце модуля предлагается тест на закрепление материала.

Модуль 4. Регистрация и первичная обработка спектров ЯМР.

Цель: познакомить слушателя с основами регистрации и первичной обработки спектров ЯМР.

Задачи:

• Показать слушателям – как загружать образец в спектрометр ЯМР.
• Показать слушателям – как настроить датчик спектрометра ЯМР.
• Продемонстрировать настройку стабильности и однородности магнитного поля.
• Познакомить слушателя с импульсными последовательностями.
• Познакомить слушателя с запуском измерений спектров.
• Познакомить слушателя с процессингом спектров.

Результат: Слушатели узнают основы регистрации и первичной обработки спектров ЯМР.

В конце модуля предлагается тест на закрепление материала.

Модуль 5. Анализ данных в ЯМР-метаболомике.

Цель: познакомить слушателей с общей схемой анализа данных в ЯМР-метаболомике, с качественным и количественным определением метаболитов методом спектроскопии ЯМР, а также с методами статистического анализа полученных данных.

Задачи:

• Познакомить слушателя с общей схемой анализа данных в ЯМР-метаболомике
• Познакомить слушателя с возможностями качественного определения метаболитов методом спектроскопии ЯМР.
• Познакомить слушателя с различными базами данных метаболитов.
• Познакомить слушателя с возможностями количественного определения метаболитов методом спектроскопии ЯМР.
• Познакомить слушателя с методами статистического анализа данных.

Результат: Слушатели узнают общую схему анализа данных в ЯМР-метаболомике, познакомятся с целевым и нецелевым метаболомным анализом, с качественным и количественным определением метаболитов методом спектроскопии ЯМР, с различными базами данных метаболитов, а также со статистическим анализом полученных данных.

В конце модуля предлагается тест на закрепление материала.

После завершения данного курса слушатели будут иметь представление об основах метаболомного анализа, узнают основы метода спектроскопии ЯМР в приложении к задачам метаболомики, получат знания об особенностях проведения экспериментов по ЯМР-метаболомике, приобретут базовые навыки анализа данных по ЯМР-метаболомике с использованием различного программного обеспечения, освоят основы статистических подходов, применяемых при обработке результатов метаболомного анализа. Также слушатели будут иметь представление о приложениях ЯМР-метаболомики к решению биологических задач.