WO2001094910A2 - Method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds, using maldi-tof mass spectrometry - Google Patents
Method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds, using maldi-tof mass spectrometry Download PDFInfo
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H01J49/164—Laser desorption/ionisation, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI]
Definitions
- the present invention relates to a method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds with the aid of MALDI-TOF mass spectrometry, preferably in the presence of an internal standard on a special carrier material.
- bioflux studies require the analysis of a complex mixture of chemical compounds inside and outside the cells.
- MALDI-TOF-MS matrix-assisted laser desorption ionization with time-of-flight mass spectrometry
- MALDI-TOF-MS is a quick and easy 5 method that is widely used for the analysis of large, non-volatile biomolecules such as peptides, proteins, oligonucleotides and oligosaccharides or other polymers are used.
- High molecular weight materials such as coal tar, humic acid, fulvic acid or kerogens were also analyzed with MALDI 10 (Zenobie and Knochenmus, Mass Spec. Rev., 1998, 17, 337-366).
- the samples are usually applied in a thin layer to a metal surface and then irradiated with a pulsed laser.
- a pulsed laser By focusing the emitted ions, the resolution of the mass spectra in the lower mass range can be increased to about 5000 D.
- the MALDI-TOF-MS is an interesting simple and rapid method which provides specific information about the analyzed compounds, so that the use of the MALDI-TOF-MS is desirable for measuring chemical or enzymatic reactions or fermentative processes with low molecular weight substances would. In particular, their use in high-throughput screening and in bioflux analysis would be desirable.
- the task was therefore to develop a method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds using MALDI-TOF mass spectrometry.
- This object was achieved by a method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds, characterized in that the compounds are analyzed using MALDI-TOF mass spectrometry.
- These complex mixtures can arise in a chemical or enzymatic reaction or in a fermentative process.
- Complex mixtures of chemical compounds are mixtures which contain at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four, very particularly preferably at least five chemical compounds which are to be identified in the analysis using MALDI-TOF mass spectrometry and, if appropriate, quantified. Also particularly preferred complex mixtures of chemical compounds are mixtures that arise before, during or after a fermentative process inside and outside the organisms.
- Non-polymeric, organic compounds in the process according to the invention are compounds which are above all not peptides, proteins, oligo- or polynucleotides or oligo- or polysaccharides or artificial or natural polymers.
- organic compounds are, for example, sugars such as monosaccharides such as glucose or fructose, disaccharides such as sucrose or maltose, tri or tetra saccharides, amino acids such as natural amino acids such as lysine, threonine, alanine, phenylalanine, isoleucine, arginine, aspartic acid, glutamic acid to name a few or artificial amino acids, di- or tripeptides, lower carboxylic acids such as monocarboxylic acids such as acetic acid, propionic acid or dicarboxylic acids such as oxaloacetic acid or tricarboxylic acids such as citric acid, terpenes, steroids, carotenoids, vitamins, antibiotics such as nucleoside antibiotics, polyketides, ß- Lactams such as penicillins or chepalosporins or fats acids mentioned as examples.
- Chemical reactions in the sense of the invention are understood to mean all chemical reactions of
- Such chemical reactions in which complex mixtures occur occur, for example, in combinatorial chemistry.
- Such reaction solutions or mixtures can be analyzed using the method according to the invention.
- Enzymatic reactions are to be understood as enzyme-catalyzed reactions with whole cells, which can be of plant, animal, bacterial or fungal origin, and yeast cells are also suitable.
- the enzymatic conversion can take place with resting, growing, permeabilized or immobilized cells or microorganisms.
- Enzymes are also suitable for the enzyme-catalyzed implementation. These enzymes can still be contained in the permeabilized cells or microorganisms or they can also be present in so-called crude extracts. Purified or purified enzymes are used for a faster and generally also by-product-free conversion, which can be used in the conversion as free or immobilized enzymes.
- the reaction is preferably carried out with free, purified, purified or immobilized enzymes.
- Enzymes of enzyme classes 1 to 6 are advantageously used in the process according to the invention, preference is given to enzyme classes 1 to 4, particularly preferably enzyme class 3 such as classes 3.1 (reaction with ester bonds), 3.2 (glycosidases ), 3.3 (reaction with ether bonds), 3.7 (reaction with carbon-carbon bonds), 3.11 (reaction with carbon-phosphorus bonds), enzymes such as lipases, esterases or phosphatases such as phytases are very particularly preferred. Further advantageous enzymes can be found in enzyme class 6.
- Fermentative processes in the sense of the invention are processes in which microorganisms such as plant or animal cells, bacteria, fungi, yeasts, algae or ciliates prefer bacteria, fungi or yeasts in the presence of a carbon source, a nitrogen source, a phosphate source, salts such as alkali and alkaline earth metal salts and possibly vitamins and trace elements in a manner known to the person skilled in the art at temperatures, depending on the organism, from 10 ° C. to 1-10 ° C., with pH control or without pH control, with or be attracted without fumigation.
- a number of chemical compounds are produced by the metabolism of the organisms (both the anabolic and catabolic metabolism) that are present inside or outside the cell. To optimize such fermentative
- connections and thus the internal so-called pools of the various connections present in the cell can be precisely determined.
- Flow distributions and reactions can advantageously be determined or determined via measured intensity distributions of the different isotopomers or groups of isotopomers.
- possible bottlenecks in metabolism that is to say enzymes which, for example, have too little activity in the metabolism, can be recognized.
- These bottlenecks can then be optimized using genetic engineering methods such as overexpression of the associated genes.
- Mixtures of chemical compounds in the sense of the method according to the invention are also present, for example, in food samples, pharmaceutical samples or environmental samples, in which certain ingredients, ie certain chemical compounds, are to be detected, for example the contamination of food with pesticides or the contamination of soils with environmental toxins.
- Mixtures of chemical compounds from plants such as plant extracts or from animals or humans, for example blood samples or organ samples can also be analyzed in the method according to the invention. For example, blood glucose can be measured.
- the method according to the invention is therefore suitable for trace analysis, for the quantification of substances and for diagnostics.
- the method according to the invention is particularly suitable for the bioflux analysis of fermentation samples, environmental samples and food samples.
- the measurement error in the determination of the chemical compounds in the method according to the invention is below 10%, preferably below 7.5%, particularly preferably less than 5%.
- the method according to the invention can also advantageously be used to monitor enzyme reactions, ie enzyme kinetics can be set up. Furthermore, the K m value, the V max value, the selectivity of the enzyme, the yield of the reaction can be determined and the effect of inhibitors on the enzyme reaction can be monitored in vivo and in vitro. Possible reaction parameters such as temperature or pH for the enzyme-catalyzed reaction can also be examined.
- a cleaning of the reaction or fermentation solution is not necessary for the method according to the invention before analysis with MALDI-TOF mass spectrometry.
- the reaction can be measured directly. This applies in particular to complex sample mixtures on fermentation broths as part of bioflux analyzes. Also, no pure substances have to be used for the reaction, although this is of course possible.
- Chemical compounds which are poorly or not at all detectable in MALDI-TOF-MS can advantageously be derivatized before the analysis (see examples) and thus finally analyzed.
- the derivatization can take place before or after the chemical or enzymatic reaction or the fermentative
- a derivatization is particularly advantageous in cases in which hydrophilic groups are introduced into hydrophobic or volatile compounds, such as esters, amides, lactones, aldehydes, ketones, alcohols, etc., which advantageously also have an ionizable functionality.
- Examples of such derivatizations are reactions of aldehydes or ketones to oximes, hydrazone or their derivatives or alcohols to esters, for example with symmetrical or mixed anhydrides. This extends the detection spectrum of the method significantly.
- the derivatization after the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process has taken place enables the direct measurement of the original substrate of the reaction or the process.
- An internal standard is advantageously added in the method according to the invention for analyzing the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process. This internal
- Standard advantageously enables the quantification of the low molecular weight compounds in the reaction solution.
- This standard can be added to the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process before the start, during or after the completion of the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process.
- the internal standard is advantageously added to the fermentative process before the start, for example in the form of labeled carbon or nitrogen sources. These carbon or nitrogen sources serve as a substrate, i.e. the internal standard in this case serves as a substrate in the metabolism of the organisms.
- the internal standard is a so-called "tracer substance", with the aid of which a marking pattern of the resulting compounds in the organism can be created by anabolic and / or catabolic reactions in the metabolism.
- the specific metabolism of an organism for example a microorganism such as a bacterium or a fungus or a plant or an animal or human
- the marking of the internal standard is transferred to the metabolites of the metabolism.
- the metabolic flows in the organism can be studied and identified.
- intermediate products in the metabolism can be detected.
- In the foreground of these bioflux analyzes is the quantification of the isotopomer distribution of the different labeled intermediate products of the metabolism.
- the intermediate products can also be quantified in addition to the qualitative detection.
- other differently marked internal standards can be added after the end of the reaction or fermentation.
- the intermediate products are ultimately also to be understood as products of the starting material used at the start of the reaction. Accordingly, the method according to the invention can also be used to monitor or analyze enzyme reactions which catalyze the successive reaction. These can be catalyzed by one or more enzymes. By-products can also be analyzed.
- Labeled substances are advantageously used as the internal standard, which are advantageously implemented in the metabolism in an organism or which are implemented in a chemical or enzymatic reaction. But there are. also chemical compounds similar to the starting materials and / or products in principle internal standard suitable. Similar chemical compounds of this type are, for example, so-called compounds of a homologous series, the members of which differ only by, for example, an additional methylene group.
- At least one isotope is preferably selected from the group 2 H, 13 C, 15 N, 17 0, 18 0, 33 S, 3 S, 36 S, 35 C1, 37 C1, 29 Si, 30 Si, 74 Se or their mixtures of labeled starting material, product, where starting material and / or product can be an organic compound which can be used as a carbon and / or nitrogen source or in any other way in the organism, or uses a further labeled chemical compound.
- the chemical compound is advantageously selected by at least one isotope from the 2 H 1 3 C, ISN, 17 0, 18 0f 33 S / 34g, 36 S 35 C1 _, 37 C1
- a ratio of analyte to internal standard is advantageously set in a range from 0.1 to 15, preferably in a range from 0.5 to 10, particularly preferably in a range from 1 to 5, very particularly preferably a ratio of 1: 1 , If flow distributions and reversibility of reactions are determined in the bioflux analysis, the internal standard is advantageously added in such amounts that the resulting intensity distributions of the analytes are advantageously in a range from 0.1 to 10, preferably in a range from 0.2 to 5, particularly preferably in a range from 0.5 to 2, very particularly preferably in a ratio of 1: 1.
- the method according to the invention enables the measurement of non-polymeric compounds in an advantageous concentration from 1 ⁇ M to 500 mM, preferably from 10 ⁇ M to 100 mM.
- the analysis samples are advantageously concentrated in the smallest possible space or on the smallest possible diameter in order to achieve a further improvement in the measurement point resolution or measurement accuracy.
- the reaction samples in the method according to the invention can be prepared manually or advantageously automatically using conventional laboratory robots.
- the analysis with MALDI-TOF-MS can also be carried out manually or advantageously automatically.
- MALDI mass spectrometry can advantageously be used for the rapid screening of enzyme-catalyzed reactions in so-called high-throughput screening.
- the MALDI-TOF-MS is characterized by a high sensitivity with the lowest sample consumption. For example, rapid screening for metabolic activities in microtiter plates can be performed. With .
- the method can be used as rapid new enzyme activities and new mutants of known enzymes after a mutagenesis, for example via a classic mutagenesis with chemical agents such as NTG, radiation such as UV radiation or X-rays or after a so-called site-directed mutagenesis, PCR mutagenesis or the so-called gene shuffling can be found. This is reflected in a change in the bioflux analysis compared to the corresponding starting organism.
- Carrier materials with a roughness value or a roughness number of R z greater than 1, preferably greater than 2, particularly preferably greater than 3, very particularly preferably greater than 4 are advantageously used for the method according to the invention.
- R z means the average roughness depth ( ⁇ m) as the arithmetic mean of the individual roughness depths of five adjacent individual measuring sections. The roughness depth is determined according to DIN 4768.
- These carrier materials are polished, coated or vapor-coated carrier materials or polished and coated or polished and vapor-coated carrier materials.
- the straps are made of a material selected from the group of glass, ceramics, quartz, metal, stone, plastic, rubber, silicon, germanium or porcelain. The material preferably consists of metal or glass.
- the analysis in the method according to the invention can additionally be carried out with the aid of the metastable decay after the ionization or the shock-induced decay.
- further mass data can be obtained which facilitate or enable the identification of the starting materials, products, by-products or intermediate products present and advantageously also expand the determination of the isotopomer distribution.
- the dynamics 15 of the marking pattern and the concentration of the chemical are advantageous
- the biomass was determined gravimetrically at an optical density of 660 nm (Ultrospec 2000, Amersham Pharmacia Biotech Europe, Freiburg, Germany) and as a dry biomass.
- the amino acids were duplicated by HPLC using a derivatization kit (ACCQ-TAG, Waters, Milford, USA), an ACCQ-TAG column (Waters, Milford, USA) with a gradient of ACCQ-EluentA (Waters, Milford , USA) and acetonitrile / water (60:40) at a flow of 0.8 ml / min, 37 ° C and UV detection at 250 nm.
- the measurement errors in the lysine and alanine determination were 1, 6 or 2.5%.
- Glucose was determined enzymatically in duplicate (Sigma-Aldrich, Deisenhofen, Germany). The measurement error in the determinations was 1.7%.
- the MALDI-TOF-MS measurements were carried out using a Bruker Reflex III (Bruker-Franzen, Bremen, Germany) with a 337 nm nitrogen laser and a right-angled 384-well scout target for sample collection.
- the device has an 8 bit digitizer.
- Various compounds were used as the matrix.
- the following matrixes were created in
- the solution was automatically transferred from the pipette tip to the metal carrier, where it formed a thin film that dried within seconds.
- the samples (0.3 ⁇ l) were then pipetted into the middle of the measuring points.
- the metal carrier plate treated in this way was dried in air for about 10 minutes and then introduced directly into the vacuum chamber of the MALDI measuring device.
- Each measuring point was Shots analyzed from 5 different positions. Five measuring points were produced and analyzed for each sample to be measured. In some cases the shots gave overdriven or too weak signals ( ⁇ 10 counts per shot) due to the heterogeneous crystallization. Due to the fact that the integration of the surface units of such shots would lead to errors, they were excluded from the analysis.
- FIG. 1b shows pure deionized water.
- the ions formed could be clearly assigned to the individual analytes by individual analysis of the analytes and comparison with the spectra of more stable labeled isotopes of the analytes
- the control with pure DHB showed no isobaric overlays between analyte and matrix.
- the main ions detected with DHB were: [DHB-H 2 0] + at m / z 136, [DHB-H 2 0 + H] + at m / z 137, [DHB] + at m / z 154, [DHB + H] + at m / z 155, [DHB-H 2 0 + Na] + at m / z 159, [DHB-H + Na] + at m / z 176, [DHB + Na] + at m / z 177, [DHB-H + 2Na] + at m / z 199 and possibly the conversion product of the dimeric ions at m / z 273, 304 and 375.
- the ratio of the protonated ions to the ions with sodium and potassium depends depending on the sample and analysis conditions.
- the amount of ions with potassium and sodium increased significantly when the buffer with these ions was present in the samples.
- the number of different ions increased with increasing laser energy, which is used for ionization. was applied. All four compounds could be determined simultaneously in one sample.
- the intensity of the individual compound varies, possibly due to its heterogeneous distribution in the matrix.
- the signal intensity of glucose and alanine can be increased by higher laser energies. Additional m + 1 signals were observed for all analytes. This reflects the presence of natural isotopes of carbon, nitrogen, hydrogen and oxygen in the samples.
- the MALDI-TOF mass spectrum of an approximately 1: 1 mixture of 9 mM naturally labeled and 10 mM 95% ⁇ 15 N-lysine are shown in FIG. 1c.
- the signals at m / z 147, 148 and 149 represent unlabeled, single-labeled and double-labeled isotope fractions.
- the signals at m / z 147 and m / z 148 are clearly separated so that the associated area units are clearly separated. The same was observed for alanine and glucose (data not shown).
- the area units of the signals of m represent the amount of unlabeled lysine and that of m + 1 the amount of single-labeled lysine.
- the m + 1 fraction also contains natural isotopes, which are contained in the results and must be corrected by the theoretical values.
- the quantities are quantified using the following equations:
- concentration of analyte C ana e iy and internal standard Cg ta n dard the sensitivity s.
- the senistivity reflects the different mass fractions of a compound.
- the example is Sensitivity of lysine reproduced.
- Naturally labeled lysine consists of 92.9% unlabeled and 7.1% single-labeled isotopomers, higher-labeled isotopomers are negligible.
- the internal standard used 95% ⁇ 15 N-lysine has three main mass fractions: unlabeled isotopomer (m), ⁇ 15 N-labeled isotopomer (m + 1) and naturally labeled isotopomer of the single-labeled ⁇ 15 N-lysine (m +2). These were quantified with 2.5%, 90.6% and 6.9%, respectively.
- FIGS. 5A to 5D show the comparison of the MALDI-TOF-MS quantification of lysine, alanine and glucose with the results of conventional analytical techniques such as HPLC (lysine, alanine) and enzymatic determination (glucose).
- the strain excretes lysine in both media and initially grows exponentially in both media. With the consumption of the essential amino acids methionine, threonine and isoleucine in the medium (data not shown), the growth stops and the lysine production begins. The kinetics and stoichiometry of the two cultures were significantly different. 9.5 mM lysine and 1.1 mM alanine were formed on defined medium, only 3.5 mM lysine and 1.0 mM alanine were formed on molasses medium. The opposite was the case for the production of the biomass. With 4.3 g / 1 biomass, 22% less biomass was formed on mineral medium than on molasses medium (5.5 g / 1). C. glutamicum can grow on molasses medium without the amino acids threonine, methionine and leucine up to a biomass of 1.2 g / 1.
- the good agreement between the results with conventional methods and MALDI-TOF-MS shows the possibility of using this method for the bioflux analysis of organisms.
- the MALDI-TOF-MS method has a number of advantages over conventional methods such as the faster analysis time, the simultaneous analysis of very different compounds such as amino acids and sugars Possibility of analysis with very small sample quantities or volumes.
- the following example shows the determination of bioflux parameters of the metabolism of the lysine-producing microorganism Corynebacterium glutamicum ATCC 21253.
- Positional isotopomers of the same mass which therefore have an identical number of 13 carbon atoms, but the exact position of which in the molecule can be different, form groups of mass isotopomers.
- the proportions of individual groups of mass isotopomers can be measured using mass spectrometry. The result is a characteristic mass spectrum with individual peaks that reflect different mass isotopomer groups.
- the relative frequency of two mass isotopomer groups of masses mi and m to one another is referred to as the intensity ratio I m ⁇ / m2. Intensity ratios can be determined by comparing peak heights or peak areas of the corresponding mass isotopomer groups.
- srlutamicum (Marx, A., de Graaf, AA, Wiechert, W., Eggeling, L and Sahm, H., 1996, Bio-technology & Bioengineering, 49: 111-129).
- Tables 1 and 2 show the mean values from the tracer experiments carried out in parallel.
- the main product lysine is formed with a yield of 0.225 mol / mol.
- the strain also produces a number of by-products with lower proportions.
- Optimal signals were obtained for the measurement of the labeling patterns of trehalose and lysine with 2, 5-dihydroxybenzoic acid as a matrix.
- 6 shows a MALDI-TOF-MS spectrum of lysine from the tracer experiment with a mixture of U- 13 C-glucose and naturally labeled glucose (37.5: 62.5), which as [M + H] + adduct with 2, 5-DHB was recorded as a matrix in positive reflector mode.
- the various mass iso-isomers formed can clearly be seen, for example those of the masses 147 (m), 148 (m + 1), 149 (m + 2) or 150 (m + 3).
- the measured intensity ratios can be used to determine various flow parameters. This resulted in simulations of the metabolism of C. glutamicum, which had previously been carried out with a model developed in Matlab / Simulink. An overview of the results is shown in Tab. 3.
- the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway ( ⁇ ppp) can be determined from the intensity ratio I m + i m of lysine and the reversibility of glucose from the intensity ratio I m + 2 / m + l on trehalose. Determine 6-phosphate isomerase ( ⁇ Qi).
- the branching ratio between carboxylation of pyruvate / phosphoenol pyruvate and the introduction of pyruvate into the citrate cycle can be determined from the intensity ratio I m + ⁇ / m of lysine, ( ⁇ pyc ).
- the respective parameter adjustments were carried out using a gradient solver from the Matlab software (fmincon).
- the starting values of the parameters were varied in various adaptations to enable total Mini a to be found. In all cases, the algorithm converged to the same end values for the parameters to be determined.
- the criterion of the goodness of fit in all cases was the sum of the squares of the deviation between model results and experimental results (least square).
- the flows were calculated from the experimental data as follows: For the tracer experiment with l- 13 C-glucose, the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway ( ⁇ PPP ) and from the intensity ratio I m + l / m of lysine were first determined Intensity ratio I m + 2 / m + ⁇ ⁇ ⁇ on trehalose determined the reversibility of glucose-6-phosphate isomerase ( ⁇ p ⁇ i).
- the two flow parameters were then passed to the next parameter determination, the branching ratio between carboxylation of pyruvate / phosphoenolpyruvate for the experiment with the mixture of naturally labeled and U- 13 C-glucose as the tracer substrate from the intensity ratio I m + ⁇ / m of lysine and the introduction of pyruvate into the citrate cycle, ( ⁇ pyc). and calculated from the intensity ratio I + 2 / m + ⁇ of lysine the branching ratio between succinylase and dehydrogenase pathway in lysine biosynthesis.
- Lysine formation may be consumed via the "futile cycle" between oxaloacetate and pyruvate / phosphoenolpyruvate.
- glucose-6-phosphate isomerase is highly reversible.
- the central metabolism of the lysine producer Corynebacterium glutamicum can be almost completely quantified from a few targeted analyzes of intensity ratios of metabolites in tracer experiments.
- the key parameters of lysine formation such as the branching ratio between glycolysis and the pentose phosphate pathway ( ⁇ P P P), reversibility of glucose-6-phosphate isomerase ( ⁇ p ⁇ i), the branching ratio between carboxylation of pyruvate / phosphoenolpyruvate and the introduction of pyruvate into the citrate cycle ( ⁇ pyc).
- the developed method can be used to determine the branching ratio between succinylase and dehydrogenase path in lysine biosynthesis and exchange flows between pyruvate / phosphoenolpyruvate and oxaloacetate (C PC / P E PCK ), which is essential for the characterization and strain improvement of lysine-producing bacteria.
- Tab. 1 Yield coefficients for biomass (in g / mmol Glc) and various products in (in mol / mol) in batch cultivations of C. glutamicum ATCC 21253 during lysine formation.
- Tab. 2 Precursor requirement for biomass synthesis in batch cultivations of C. glutamicum ATCC 21253 during the formation of lysine.
- Acetyl-CoA 0.150 Tab. 3 Experimental design for bioflux analysis. Key parameters of the metabolism of C. glutamicum: suitable selection of tracer substrate and measured intensity ratio.
- the following example shows the screening for metabolic activities in microtiter plates with MALDI-TOF-MS using the example of determining the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway for 4 different lysine-producing microorganisms.
- the lysine-producing microorganisms Brevibacterium flavum NRRL 11478, Corynebacterium glutamicum ATCC 21253, Corynebacterium glutamicum ATCC 21526 and Corynebacterium glutamicum ATCC 21544 were used as strains.
- the cultivation was carried out as described in the previous examples, the following additions and deviations being made:
- the organisms were cultivated in microtiter plates, which were incubated in a reader (Fluoroscan Ascent FL, Labsystems, Finland) for 24 hours at 30 ° C.
- the inoculum and medium were mixed immediately before the experiment and filled into the microtiter plate with a pipette.
- Ual as carbon was 99% l- 13 C-glucose (Euriso-top, Gif-sur-Yvette, France) were used.
- the wells in the middle of the plate were used for cultivation. Unused wells of the plates on the outer edge were filled with water to increase the humidity in the reader.
- the plates were shaken continuously during the incubation (orbital shaker, shaking speed 1020 rpm, shaking diameter 1 mm).
- the cultivation volume was 200 ⁇ l at the beginning, and decreased by evaporation under test conditions about 2% per hour.
- parallel experiments were carried out in 25 ml shake flasks with baffles and 5 ml PMB medium, which were incubated at 150 rpm and 30 ° C.
- the intensity ratio I m + ⁇ / m of lysine was measured with MALDI-TOF-MS from samples diluted 1: 5 with deionized water.
- the procedure was analogous to the example for the lysine marker measurement in the example of bioflux analysis.
- the parameter adjustment was carried out with a gradient solver from the Matlab software (fmincon).
- the start values of the parameters were varied in various adaptations to enable total minima to be found.
- the criterion of the goodness of fit was the square of the deviation between model results and experimental results (least square).
- the algorithm converged to the same final values for the parameter to be determined.
- Flow parameters not determined in this experiment were taken from our own results or literature data (see patent example for Bioflux analysis).
- Tab. 4 shows the values obtained for ( ⁇ ppp). It can be seen that in all cases relatively high flows result in the pentose phosphate pathway, so that a limitation of the lysine formation by NADPH is unlikely. Interestingly, the various lysine producers examined showed good agreement with ⁇ ppp. There were also no significant differences in ⁇ ppp between the experiments in microtiter plates and in shake flasks.
- strains NRRL 11478, ATCC 21526 and ATCC 21544 produced practically the same amount of lysine in shake flasks and microtiter plate cultivation (data not shown), whereas the strain ATCC 21253 in the microtiter plate after 24 hours only about 30% the amount of lysine produced in the shake flask.
- metabolic characterizations of microorganisms can be carried out on a microscale, which is based on a strain comparison of 4 different lysine products. ten was demonstrated. This is achieved by the MALDI-TOF-MS analysis used, which only requires the smallest sample amounts of ⁇ 1 ⁇ l. With targeted analyzes of the intensity ratios of metabolites in tracer experiments, even flow distributions in the metabolism can be quantified.
- the MALDI-TOF-MS analysis can be used for determining the concentration, see example for determining the concentration from fermentation broths of C. glutamicum (Example 3), which can be used to determine product formation rates or yield coefficients for the cultivation of microorganisms in microtiter plates. This makes the method very suitable for screening strains.
- Tab. 1 Screening of lysine-producing microorganisms in microtiter plates and shaking l- 13 C-glucose as substrate: intensity ratio I m + ⁇ / m of lysine and relative flow into the pentose phosphate pathway
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Abstract
Description
Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse komplexer Gemische chemischer Verbindungen mit MALDI-TOF-Massen- spektrometrieProcess for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds with MALDI-TOF mass spectrometry
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse komplexer Gemische chemischer Ver- bindungen mit Hilfe der MALDI-TOF-Massenspektrometrie bevorzugt in Gegenwart eines internen Standards auf einem speziellen Trägermaterial .The present invention relates to a method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds with the aid of MALDI-TOF mass spectrometry, preferably in the presence of an internal standard on a special carrier material.
Für die Optimierung fermentativer Prozesse ist eine genaue Kenntnis der biochemischen Flüsse der verschiedenen chemischen Substanzen bzw. Verbindungen innerhalb der Organismen von Vorteil . Diese sogenannten Bioflux-Studien erfordern die Analyse eines komplexen Gemisches chemischer Verbindungen innerhalb und außerhalb der Zellen. Üblicherweise werden für diese Bioflux- Studien, das heißt die Ermittlung der Substanzflüsse innerhalb und außerhalb der Organismen, verschiedenste Trennmethoden wie die Dünnschichtchromatographie (= DC) , die Hochdruckflüssigkeitschromatographie (= HPLC) , die Gaschromatographie (= GC) , Enzym- assays; MR und andere Analysenmethoden verwendet. Diese Ver- fahren sind zeitaufwendig und ermöglichen nur einen geringen Probendurchsatz .A precise knowledge of the biochemical flows of the various chemical substances or compounds within the organisms is advantageous for the optimization of fermentative processes. These so-called bioflux studies require the analysis of a complex mixture of chemical compounds inside and outside the cells. For these bioflux studies, that is to say the determination of substance flows inside and outside the organism, a wide variety of separation methods such as thin-layer chromatography (= DC), high-pressure liquid chromatography (= HPLC), gas chromatography (= GC), enzyme assays are usually used; MR and other analytical methods are used. These methods are time-consuming and allow only a low sample throughput.
Auch in der kombinatorischen Chemie sind komplexe Gemische chemischer Verbindungen bzw. Substanzen zu analysieren. Diese Gemische entstehen beispielsweise bei der sogenannten klassischen split and combine-Methode (= Synthese von Mischungen in einem Reaktionsgefäß) durchführt. Die oben genannten Analysenmethoden werden auch in diesem Fall zur Analyse verwendet .Complex mixtures of chemical compounds or substances also need to be analyzed in combinatorial chemistry. These mixtures arise, for example, in the so-called classic split and combine method (= synthesis of mixtures in a reaction vessel). The analysis methods mentioned above are also used for analysis in this case.
Auch beim Screening nach neuen enzymatischen Reaktionen werden die oben genannten Analysenmethoden verwendet. Dieses Screening hängt im großen Maß vom Zufall ab. In einem solchen Screening müssen sehr viele Organismen nach der gewünschten enzymatischen Aktivität durchgemustert werden, bis die gewünschte Enzym- aktivität gefunden wird. Auch hier sind in der Regel komplexe Gemische zu analysieren.The above-mentioned analysis methods are also used when screening for new enzymatic reactions. This screening largely depends on chance. In such a screening, a large number of organisms have to be screened for the desired enzymatic activity until the desired enzyme activity is found. As a rule, complex mixtures must also be analyzed here.
Für die Bioflux-Studien, die kombinatorischen Synthesen ebenso wie für das Screening nach Enzymaktivitäten sind daher schnelle, einfache, hochempfindliche und hochspezifische Analysenverfahren erforderlich. Dabei ist die rasche und einfache Identifizierung der in der chemischen oder enzymatischen Reaktion oder im fermentativen Prozeß entstehenden Verbindungen und/oder gegebenenfalls die Abnahme des eingesetzten Edukts und/oder bei einem fermentativen Prozeß die Abnahme der eingesetzten Kohlenstoffquelle wie Glucose oder Saccharose oder der eingesetzten Stickstoffquelle wie Proteinhydrolysate und die Bildung neuer chemischer Verbindungen aus diesen wichtig. In der Regel werden wie oben erwähnt zur Analyse der Produkte Trennverfahren wie die Dünnschichtchromatographie (= DC) , die Hochdruckflüssigkeitschromatographie (= HPLC) oder die Gaschromatographie {= GC) verwendet. Auch Verfahren wie MR, die nach einer Aufarbeitung über zum Beispiel Salzfällung und/oder anschließender Chromatographie anwendbar sind, können zur Analyse verwendet werden. Diese Verfahren sind zeitaufwendig und lassen nur einen beschränkten Probendurchsatz zu, so daß derartige Analysen- verfahren für das sogenannte High-Throughput-Screening (= HTS) , bei dem zunächst nach der gewünschten Reaktion gescreent wird, keine Anwendung finden. Von Vorteil bei diesen Methoden ist, daß Informationen sowohl über die Produkte der Reaktion als auch gegebenenfalls über die Abnahme des Edukts liefern.For the bioflux studies, the combinatorial syntheses as well as for the screening for enzyme activities, quick, simple, highly sensitive and highly specific analysis procedures are required. The quick and easy identification of the chemical or enzymatic reaction or Compounds arising from the fermentative process and / or, if appropriate, the decrease in the starting material used and / or in a fermentative process the decrease in the carbon source used such as glucose or sucrose or the nitrogen source used such as protein hydrolyzates and the formation of new chemical compounds from these are important. As mentioned above, separation processes such as thin-layer chromatography (= DC), high-pressure liquid chromatography (= HPLC) or gas chromatography (= GC) are generally used to analyze the products. Methods such as MR, which can be used after working up, for example by salt precipitation and / or subsequent chromatography, can also be used for the analysis. These methods are time-consuming and allow only a limited sample throughput, so that such analysis methods are not used for the so-called high-throughput screening (= HTS), in which the desired reaction is first screened for. The advantage of these methods is that they provide information both about the products of the reaction and, if appropriate, about the decrease in the starting material.
Um einen höheren Probendurchsatz im HTS zu ermöglichen, werden vielfach indirekte, leicht meßbare Verfahren wie Farbreaktionen im sichtbaren Bereich, Trübungsmessungen, Fluoreszenz, Leitfähigkeitsmessungen etc. verwendet. Diese sind zwar im Prinzip sehr empfindlich, aber auch störanfällig. Von Nachteil hierbei ist vor allem, daß bei diesem Vorgehen viele falsch positive Proben analysiert werden und da es sich um indirekte Nachweisverfahren handelt, keine Informationen über Produkt und/oder Edukt vorliegen. Darüberhinaus liefern diese Verfahren in der Regel kaum Informationen über die Flußverteilungen. Um diese falsch Positiven beim weiteren Vorgehen ausschließen zu können, werden in der Regel weitere Analysenverfahren nach dem ersten Screening wie beispielsweise DC, HPLC oder GC verwendet. Dies ist wiederum sehr zeitaufwendig .In order to enable a higher sample throughput in the HTS, indirect, easily measurable methods such as color reactions in the visible range, turbidity measurements, fluorescence, conductivity measurements etc. are often used. In principle, these are very sensitive, but they are also prone to failure. The main disadvantage here is that many false positive samples are analyzed using this procedure and, since these are indirect detection methods, no information about the product and / or starting material is available. In addition, these methods generally provide little information about the flow distributions. In order to be able to exclude these false positives in the further procedure, further analysis methods such as DC, HPLC or GC are generally used after the first screening. Again, this is very time consuming.
Generell kann gesagt werden, daß die Verbesserung der Empfindlichkeit und der Aussagekraft der Detektionsverfahren bezüglich der Reaktionsprodukte zu einer Verlangsamung in der Geschwindigkeit eines Tests führt.In general, it can be said that the improvement in the sensitivity and the informative value of the detection methods with regard to the reaction products leads to a slowdown in the speed of a test.
Für sogenannte Bioflux-Studien, in denen die metabolischen Stoff- flüsse ermittelt werden, finden derartige Methoden insbesondere NMR trotz ihres hohen Zeitaufwandes aufgrund ihrer Aussagekraft über die verschiedensten chemischen Verbindungen, die durch den Metabolismus der Organismen entstehen, Anwendung. Zur Vereinfachung dieser Studien und damit der Ermittlung der metabolischen Stoffflüsse wäre jedoch ein schnelles, hochempfindliches und hochspezifisches Analysenverfahren wünschenswert.For so-called bioflux studies, in which the metabolic substance flows are determined, such methods, in particular NMR, are used despite their high expenditure of time due to their meaningfulness about the most diverse chemical compounds that arise through the metabolism of the organisms. However, to simplify these studies and thus determine the metabolic material flows would be a fast, highly sensitive and highly specific analytical method desirable.
MALDI-TOF-MS (= Matrix-unterstützte Laserdesorption-Ionisation mit time-of-flight Massenspektrometrie) stellt ein rasches und 5 einfaches Verfahren dar, das breit für die Analyse von großen, nichtflüchtigen Biomolekülen wie im besonderen Peptiden, Proteinen, Oligonukleotiden und Oligosacσhariden oder sonstigen Polymeren Anwendung findet. Auch hochmolekulare Materialien wie Kohleteer, Huminsäure, Fulvinsäure oder Kerogene wurden mit MALDI 10 analysiert (Zenobie and Knochenmus, Mass Spec. Rev. , 1998, 17, 337-366) .MALDI-TOF-MS (= matrix-assisted laser desorption ionization with time-of-flight mass spectrometry) is a quick and easy 5 method that is widely used for the analysis of large, non-volatile biomolecules such as peptides, proteins, oligonucleotides and oligosaccharides or other polymers are used. High molecular weight materials such as coal tar, humic acid, fulvic acid or kerogens were also analyzed with MALDI 10 (Zenobie and Knochenmus, Mass Spec. Rev., 1998, 17, 337-366).
Ein Problem bei der MALDI-MS ist die Quantifizierung der Meßergebnisse, dies liegt daran, daß die Signalintensität inA problem with the MALDI-MS is the quantification of the measurement results, this is because the signal intensity in
15 hohem Maße von der Homogenität der aufgegebenen Probe und der Bestrahlungsdichte des Lasers abhängt (Ens et al . , Rapid Commun. Mass Spectrom, 5, 1991: 117-123), wobei die Intensität in erster Näherung expotentiell mit steigender Laserenergie ansteigt (Ens et al., Rapid Commun. Mass Spectrom, 5, 1991: 117-123). Wird die15 depends to a large extent on the homogeneity of the sample applied and the radiation density of the laser (Ens et al., Rapid Commun. Mass Spectrom, 5, 1991: 117-123), the intensity increasing exponentially with increasing laser energy (Ens et al., Rapid Commun. Mass Spectrom, 5, 1991: 117-123). Will the
20 Signalintensität zu hoch, so kann es unter Umständen zu einer Sättigung des Signals am Detektor kommen, was eine Quantifizierung ebenfalls ausschließt. Neben diesen physikalischtechnisch-bedingten Problemen gibt es weitere Gründe, welche eine quantitative Auswertung von MALDI-Messungen erschweren. So könnenIf the signal intensity is too high, the signal at the detector may be saturated, which also precludes quantification. In addition to these physical-technical problems, there are other reasons that make quantitative analysis of MALDI measurements difficult. So can
25 beispielsweise Fragmente der gesuchten Ionen oder Moleküladdukte auftreten. Das größte Problem bei der quantitativen MALDI-MS stellt jedoch die Inhomogenität der Proben dar. Die Qualität eines MALDI-Spektrums ist in starkem Maße von der Morphologie der untersuchten Probe abhängig (Garden & Sweedler, Anal. Chem. 72,For example, fragments of the ions or molecular adducts sought occur. The biggest problem with quantitative MALDI-MS, however, is the inhomogeneity of the samples. The quality of a MALDI spectrum depends to a large extent on the morphology of the sample examined (Garden & Sweedler, Anal. Chem. 72,
30 2000: 30-36). Dabei können signifikante Unterschiede in Bezug auf das Auftreten von Signalen, die Intensität, die Auflösung und die Massengenauigkeit beobachtet werden, sobald man eine MALDI-Probe an verschiedenen Stellen untersucht (Cohen & Chait, Anal. Chem., 68, 1996: 31-37; Strupat et al . , Int. J. Mass Spectrom. Ion30 2000: 30-36). Significant differences regarding the occurrence of signals, the intensity, the resolution and the mass accuracy can be observed as soon as a MALDI sample is examined at different locations (Cohen & Chait, Anal. Chem., 68, 1996: 31-37 ; Strupat et al., Int. J. Mass Spectrom. Ion
35 Processes, 111, 1991: 89-102; Amado et al . , Rapid Commun. Mass Spectrom., 11, 1997: 1347-1352). Diese Inhomogenitäten beruhen auf einer ungleichen Verteilung von Matrix und Analyt auf dem Probentarget, was durch das ungleiche Kristallisationsverhalten dieser beiden Komponenten verursacht wird. Um diese Inhomogeni-35 Processes, 111, 1991: 89-102; Amado et al. , Rapid Commun. Mass Spectrom., 11, 1997: 1347-1352). These inhomogeneities are due to an uneven distribution of matrix and analyte on the sample target, which is caused by the uneven crystallization behavior of these two components. To this inhomogeneity
40 täten zu beseitigen oder zu minimieren - was gleichbedeutend mit der Bildung einer mikrokristallinen, homogenen Probentopologie ist - wurde bereits eine Reihe von Vorschlägen erarbeitet. Diese beinhalten beispielsweise die Verwendung von Comatrices (Gusev et al . , Anal. Chem., 67, 1995: 1034-1041), Multi-Layer-To eliminate or minimize 40 actions - which is equivalent to the formation of a microcrystalline, homogeneous sample topology - a number of proposals have already been developed. These include, for example, the use of comrices (Gusev et al., Anal. Chem., 67, 1995: 1034-1041), multi-layer
45 Präparationen, die Verwendung von Lösungsmittelgemischen und Elektrospray-Präparationen (Hensel et al . , Rapid Commun. Mass Spectrom.,- 11, 1997: 1785-1793) (eine Zusammenstellung dieser Versuche findet sich in der Referenz von Garden & Sweedler, Anal. Chem. 72, 2000: 30-36). All diese Ansätze haben jedoch Limitierungen und sind deshalb nicht breit anwendbar. Die Quantifizierung ist deshalb nach wie vor ein Problem.45 preparations, the use of solvent mixtures and electrospray preparations (Hensel et al., Rapid Commun. Mass Spectrom., - 11, 1997: 1785-1793) (a compilation of these Experiments can be found in the Garden & Sweedler, Anal reference. Chem. 72, 2000: 30-36). However, all of these approaches have limitations and are therefore not widely applicable. Therefore, quantification is still a problem.
Für die MALDI (= Matrix-unterstützte Laserdesorption-Ionisation) werden die Proben in der Regel in dünner Schicht auf eine Metalloberfläche aufgebracht und dann mit einem gepulsten Laser bestrahlt. Über eine Fokussierung der emitierten Ionen kann die Auflösung der Massenspektren im unteren Massenbereich bis etwa 5000 D erhöht werden.For MALDI (= matrix-assisted laser desorption ionization), the samples are usually applied in a thin layer to a metal surface and then irradiated with a pulsed laser. By focusing the emitted ions, the resolution of the mass spectra in the lower mass range can be increased to about 5000 D.
Duncan et al . (Rapid Communications in Mass Spectrometry, Vol. 7, 1993: 1090-1094) beschreibt die Analyse der niedermolekularen polaren Verbindungen 3, 4-Dihydroxyphenylalanin, Acetylcholin und des Peptids Ac-Ser-Ile-Arg-His-Tyr-NH2 mit Hilfe von MALDI in Gegenwart der entsprechenden über 13C bzw. 2H markierten Verbindungen bzw. über ein ähnliches Peptid als interner Standard.Duncan et al. (Rapid Communications in Mass Spectrometry, Vol. 7, 1993: 1090-1094) describes the analysis of the low molecular polar compounds 3, 4-dihydroxyphenylalanine, acetylcholine and the peptide Ac-Ser-Ile-Arg-His-Tyr-NH 2 with the help of MALDI in the presence of the corresponding compounds labeled via 13 C or 2 H or via a similar peptide as an internal standard.
Von Goheen et al. (J. Mass Spec . , Vol. 32, 1997: 820-828) wird die Verwendung von MALDI-TOF-MS zur Analyse der folgenden nieder- molkularen Verbindungen beschrieben:By Goheen et al. (J. Mass Spec., Vol. 32, 1997: 820-828) describes the use of MALDI-TOF-MS for the analysis of the following low-molecular compounds:
Zitronensäure, Propionsäure, Buttersäure, Oxalsäure und Stearinsäure, Ethylendiamintetraessigsäure (= EDTA) , N- (2-hydroxyethyl) - ethylendiamintriessigsäure (= HEDTA) , Ethylendiamine-N,N'-diessigsaure (= EDDA) und Nitrilotriessigsäure (= NTA) sowie Sulfat-, Nitrat-, Nitrit- und Phosphat-Salze. Als Matrix in allen Experimenten wird 2 , 5-Dihydroxybenzoesäure verwendet.Citric acid, propionic acid, butyric acid, oxalic acid and stearic acid, ethylenediaminetetraacetic acid (= EDTA), N- (2-hydroxyethyl) - ethylenediaminetriacetic acid (= HEDTA), ethylenediamine-N, N'-diesiacetic acid (= EDDA) and nitrilotriacetic acid (= NTA) and sulfate -, nitrate, nitrite and phosphate salts. 2, 5-Dihydroxybenzoic acid is used as the matrix in all experiments.
Von Nachteil bei beiden Methoden ist, daß sie nur für die Messung von Reinsubstanzen geeignet sind. Diese Problematik wird in der Diskussion von Duncan et al. angesprochen, dort wird zur Überwindung dieser Schwierigkeit die Reinigung der Meßproben vorgeschlagen.A disadvantage of both methods is that they are only suitable for the measurement of pure substances. This problem is discussed in the discussion by Duncan et al. addressed, there is proposed to overcome this difficulty, the cleaning of the test samples.
Insgesamt ist die MALDI-TOF-MS jedoch eine interessante einfache und rasche Methode, die spezifische Informationen über die analysierten Verbindungen liefert, so daß die Verwendung der MALDI- TOF-MS zur Messung von chemischen oder enzymatischen Reaktionen oder von fermentativen Prozessen mit niedermolekularen Substanzen wünschenswert wäre. Speziell wäre ihre Verwendung im High- Throughput-Screening und in der Bioflux-Analyse wünschenswert .Overall, however, the MALDI-TOF-MS is an interesting simple and rapid method which provides specific information about the analyzed compounds, so that the use of the MALDI-TOF-MS is desirable for measuring chemical or enzymatic reactions or fermentative processes with low molecular weight substances would. In particular, their use in high-throughput screening and in bioflux analysis would be desirable.
Es bestand daher die Aufgabe ein Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse komplexer Gemische chemischer Verbindungen unter Verwendung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie zu entwickeln. Diese Aufgabe wurde durch ein Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse komplexer Gemische chemischer Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen mit Hilfe der MALDI-TOF-Massenspektrometrie analysiert werden, gelöst. Diese komplexen Gemische können in einer chemischen oder enzymatischen Reaktion oder in einem fermentativen Prozeß entstehen.The task was therefore to develop a method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds using MALDI-TOF mass spectrometry. This object was achieved by a method for the qualitative and quantitative analysis of complex mixtures of chemical compounds, characterized in that the compounds are analyzed using MALDI-TOF mass spectrometry. These complex mixtures can arise in a chemical or enzymatic reaction or in a fermentative process.
Komplexe Gemische chemischer Verbindungen sind Gemische, die mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, ganz besonders bevorzugt mindestens fünf chemische Verbindungen enthalten, die in der Analyse mit Hilfe der MALDI-TOF-Massenspektrometrie identifiziert und gegebenenfalls quantifiziert werden sollen. Ebenfalls besonders bevorzugte komplexe Gemische chemischer Verbindungen sind Gemische, die vor, während oder nach einem fermentativen Prozess innerhalb und außerhalb der Organismen entstehen. Im komplexen Gemisch chemischer Verbindungen können polymere Verbindungen (= Substanzen) wie Proteine wie Enzyme, Rezeptoren etc., Polysaccharide wie Glykoproteine, Glykolipide etc., Polynukleotide wie DNA oder RNA und/oder nichtpolymere Verbindungen vorhanden sein. Diese chemischen Verbindungen können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens allein oder in Kombination mit den nichtpolymeren Verbindungen analysiert werden. Bevorzugt werden nur die nichtpolymeren Verbindungen besonders bevorzugt die nichtpolymeren, organischen Verbindungen analysiert.Complex mixtures of chemical compounds are mixtures which contain at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four, very particularly preferably at least five chemical compounds which are to be identified in the analysis using MALDI-TOF mass spectrometry and, if appropriate, quantified. Also particularly preferred complex mixtures of chemical compounds are mixtures that arise before, during or after a fermentative process inside and outside the organisms. The complex mixture of chemical compounds can contain polymeric compounds (= substances) such as proteins such as enzymes, receptors etc., polysaccharides such as glycoproteins, glycolipids etc., polynucleotides such as DNA or RNA and / or non-polymeric compounds. These chemical compounds can be analyzed using the method according to the invention alone or in combination with the non-polymeric compounds. Only the non-polymeric compounds are preferably analyzed, particularly preferably the non-polymeric, organic compounds.
Nichtpolymere, organische Verbindungen im erfindungsgemäßen Verfahren sind Verbindungen, die vor allem keine Peptide, Proteine, Oligo- oder Polynukleotide oder Oligo- oder Polysaccharide oder künstliche oder natürliche Polymere sind. Diese nichtpolymeren organischen Verbindungen (= niedermolekulare Verbindungen) haben eine Molmasse von kleiner 4000 D (= Dalton) , vorteilhaft von kleiner 3000 D, bevorzugt kleiner 1000 D, besonders bevorzugt von kleiner 800 D, ganz besonders bevorzugt kleiner 600 D. Als der- artige niedermolkulare organische Verbindungen seien beispielsweise Zucker wie Monosaccharide wie Glucose oder Fructose, Disaccharide wie Saccharose oder Maltose, Tri- oder Tetra- saccharide, Aminosäuren wie natürliche Aminosäuren wie Lysin, Threonin, Alanin, Phenylalanin, Isoleucin, Arginin, Asparagin- säure, Glutaminsäure um nur einige zu nennen oder künstliche Aminosäuren, Di- oder Tripeptide niedere Carbonsäuren wie Mono- carbonsäuren wie Essigsäure, Propionsäure oder Dicarbonsäuren wie Oxalessigsäure oder Tricarbonsäuren wie Citronensäure, Ter- pene, Steroide, Carotinoide, Vitamine, Antibiotika wie Nukleosi- dantibiotika, Polyketide, ß-Lactame wie Penicilline oder Chepha- losporine oder Fettsäuren beispielhaft genannt . Unter chemischen Reaktionen im Sinne der Erfindung sind alle chemischen Reaktionen der organischen und anorganischen Chemie bevorzugt der organischen Chemie zu verstehen.Non-polymeric, organic compounds in the process according to the invention are compounds which are above all not peptides, proteins, oligo- or polynucleotides or oligo- or polysaccharides or artificial or natural polymers. These non-polymeric organic compounds (= low molecular weight compounds) have a molar mass of less than 4000 D (= dalton), advantageously less than 3000 D, preferably less than 1000 D, particularly preferably less than 800 D, very particularly preferably less than 600 D. As such low molecular weight organic compounds are, for example, sugars such as monosaccharides such as glucose or fructose, disaccharides such as sucrose or maltose, tri or tetra saccharides, amino acids such as natural amino acids such as lysine, threonine, alanine, phenylalanine, isoleucine, arginine, aspartic acid, glutamic acid to name a few or artificial amino acids, di- or tripeptides, lower carboxylic acids such as monocarboxylic acids such as acetic acid, propionic acid or dicarboxylic acids such as oxaloacetic acid or tricarboxylic acids such as citric acid, terpenes, steroids, carotenoids, vitamins, antibiotics such as nucleoside antibiotics, polyketides, ß- Lactams such as penicillins or chepalosporins or fats acids mentioned as examples. Chemical reactions in the sense of the invention are understood to mean all chemical reactions of organic and inorganic chemistry, preferably organic chemistry.
Derartige chemische Reaktionen bei denen komplexe Gemische entstehen kommen beispielsweise in der kombinatorischen Chemie vor. Diese Gemische entstehen beispielsweise in der kombinatorischen Chemie bei der sogenannten klassischen split and co bine-Methode (= Synthese von Mischungen in einem Reak- tionsgefäß) . Derartige Reaktionslösungen bzw. Gemische lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analysieren.Such chemical reactions in which complex mixtures occur occur, for example, in combinatorial chemistry. These mixtures are created, for example, in combinatorial chemistry using the so-called classic split and co-bine method (= synthesis of mixtures in a reaction vessel). Such reaction solutions or mixtures can be analyzed using the method according to the invention.
Unter enzymatischen Reaktionen sind Enzym-katalysierten Umsetzungen mit ganzen Zellen zu verstehen, die pflanzlichen, tierischen, bakteriellen oder pilzlichen Ursprungs sein können, auch Hefezellen sind geeignet. Die enzymatische Umsetzung kann mit ruhenden, wachsenden, permeabilisierten oder immobilisierten Zellen bzw. Mikroorganismen erfolgen. Auch Enzyme sind für die Enzym-katalysierte Umsetzung geeignet. Diese Enyzme können noch in den permeabilisierten Zellen oder Mikroorganismen enthalten sein oder aber in sogenannten Rohextrakten vorhanden sein. Für eine raschere und in der Regel auch Nebenprodukt freiere Umsetzung werden angereinigte oder gereinigte Enzyme verwendet, die in der Umsetzung als freie oder immobilisierte Enzyme ver- wendet werden können. Bevorzugt wird die Reaktion mit freien, angereinigten, gereinigten oder immobilisierten Enzymen durchgeführt .Enzymatic reactions are to be understood as enzyme-catalyzed reactions with whole cells, which can be of plant, animal, bacterial or fungal origin, and yeast cells are also suitable. The enzymatic conversion can take place with resting, growing, permeabilized or immobilized cells or microorganisms. Enzymes are also suitable for the enzyme-catalyzed implementation. These enzymes can still be contained in the permeabilized cells or microorganisms or they can also be present in so-called crude extracts. Purified or purified enzymes are used for a faster and generally also by-product-free conversion, which can be used in the conversion as free or immobilized enzymes. The reaction is preferably carried out with free, purified, purified or immobilized enzymes.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhaft Enzyme der Enzymklassen 1 bis 6 (International Union of Biochemistry and Molecular Biology = IUB) verwendet, bevorzugt werden die Enzymklassen 1 bis 4, besonders bevorzugt die Enymklasse 3 wie die Klassen 3.1 (Reaktion mit Esterbindungen), 3.2 (Glycosidasen) , 3.3 (Reaktion mit Etherbindungen) , 3.7 (Reaktion mit Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindungen), 3.11 (Reaktion mit Kohlenstoff-Phosphorbindungen) , ganz besonders bevorzugt sind Enzyme wie Lipasen, Esterasen oder Phosphatasen wie Phytasen. Weitere vorteilhafte Enzyme sind in der Enyzmklasse 6 zu finden.Enzymes of enzyme classes 1 to 6 (International Union of Biochemistry and Molecular Biology = IUB) are advantageously used in the process according to the invention, preference is given to enzyme classes 1 to 4, particularly preferably enzyme class 3 such as classes 3.1 (reaction with ester bonds), 3.2 (glycosidases ), 3.3 (reaction with ether bonds), 3.7 (reaction with carbon-carbon bonds), 3.11 (reaction with carbon-phosphorus bonds), enzymes such as lipases, esterases or phosphatases such as phytases are very particularly preferred. Further advantageous enzymes can be found in enzyme class 6.
Fermentative Prozesse im Sinne der Erfindung sind Prozesse, in denen Mikroorganismen wie pflanzliche oder tierische Zellen, Bakterien, Pilze, Hefen, Algen oder Ciliaten bevorzugt Bakterien, Pilze oder Hefen in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle, einer Stickstoffquelle, einer Phosphatquelle, Salzen wie Alkali- und Erdalkalisalzen und ggf. Vitaminen und Spurenelementen in dem Fachmann bekannter Weise bei Temperaturen je nach Organismus von 10°C bis 1-10°C, unter pH-Kontrolle oder ohne pH-Kontrolle, mit oder ohne Begasung angezogen werden. Bei diesen fermentativen Prozessen fallen eine Reihe von chemischen Verbindungen durch den Metabolismus der Organismen (sowohl den anabolen als auch katabolen Metabolismus) an, die innerhalb oder außerhalb der Zelle vorliegen. Zur Optimierung derartiger fermentativerFermentative processes in the sense of the invention are processes in which microorganisms such as plant or animal cells, bacteria, fungi, yeasts, algae or ciliates prefer bacteria, fungi or yeasts in the presence of a carbon source, a nitrogen source, a phosphate source, salts such as alkali and alkaline earth metal salts and possibly vitamins and trace elements in a manner known to the person skilled in the art at temperatures, depending on the organism, from 10 ° C. to 1-10 ° C., with pH control or without pH control, with or be attracted without fumigation. In these fermentative processes, a number of chemical compounds are produced by the metabolism of the organisms (both the anabolic and catabolic metabolism) that are present inside or outside the cell. To optimize such fermentative
Prozesse ist eine genaue Kenntnis der biochemischen Flüsse der verschiedenen chemischen Substanzen bzw. Verbindungen innerhalb und außerhalb der Organismen von Vorteil . Das heißt eine genaue Kenntnis des Metabolismus der Organismen ist erforderlich. Diese Kenntnis wird über sogenannten Bioflux-Analysen bzw. Studien gewonnen. Dies Bioflux-Studien erfordern die Analyse eines komplexen Gemisches chemischer Verbindungen innerhalb und außerhalb der Zellen. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf schnelle, einfache und spezifische Weise möglich. Mit Hilfe der MALDI-TOF-Massenspektrometrie lassen sich einfach und hoch spezifisch chemische Verbindungen wie Aminosäuren wie Lysin oder Alanin oder Zucker und Zuckerabbauprodukte wie Glucose oder Saccharose oder Lipide qualitativ und quantitativ nachweisen. Durch diese Analysen lassen sich die Verbindungen und damit die in der Zelle vorhandenen internen sogenannten pools der verschiedenen Verbindungen genau bestimmen. Vorteilhaft können über gemessene Intensitätsverteilungen der verschiedenen Isotopomere bzw. von Gruppen von Isotopomeren Flussverteilungen und Reaktionen bestimmt bzw. ermittelt werden. So können mögliche Engpässe im Metabolismus, das heißt Enzyme, die beispielsweise eine zu geringe Aktivität im Stoffwechsel aufweisen, erkannt werden. Diese Engpässe können dann über gentechnische Methoden wie Überexpression der zugehörigen Gene optimiert werden.Processes, an exact knowledge of the biochemical flows of the different chemical substances or compounds inside and outside the organisms is an advantage. That means a precise knowledge of the metabolism of the organisms is required. This knowledge is gained through so-called bioflux analyzes or studies. These bioflux studies require the analysis of a complex mixture of chemical compounds inside and outside the cells. This is possible with the method according to the invention in a quick, simple and specific way. With the help of MALDI-TOF mass spectrometry, chemical compounds such as amino acids such as lysine or alanine or sugar and sugar degradation products such as glucose or sucrose or lipids can be easily and highly specifically detected qualitatively and quantitatively. Through these analyzes, the connections and thus the internal so-called pools of the various connections present in the cell can be precisely determined. Flow distributions and reactions can advantageously be determined or determined via measured intensity distributions of the different isotopomers or groups of isotopomers. In this way, possible bottlenecks in metabolism, that is to say enzymes which, for example, have too little activity in the metabolism, can be recognized. These bottlenecks can then be optimized using genetic engineering methods such as overexpression of the associated genes.
Gemische chemischer Verbindungen im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch beispielsweise in Lebensmittelproben, Pharmakaproben oder Umweltproben vorhanden, in denen bestimmte Inhaltsstoffe das heißt bestimmte chemische Verbindungen nachgewiesen werden sollen beispielsweise die Belastung von Lebens- mittein mit Pestiziden oder die Belastung von Böden mit Umweltgiften. Auch Gemische chemischer Verbindungen aus Pflanzen wie Pflanzenextrakte oder aus dem Tier oder Mensch beispielsweise Blutproben oder Organproben lassen sich im erfindungsgemäßen Verfahren analysieren. So läßt sich beispielsweise Glucose im Blut messen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher für die Spurenanalytik, für die Quantifizierung von Substanzen sowie für die Diagnostik geeignet. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Bioflux-Analyse von Fermentationsproben, Umweltproben und Lebensmittelproben.Mixtures of chemical compounds in the sense of the method according to the invention are also present, for example, in food samples, pharmaceutical samples or environmental samples, in which certain ingredients, ie certain chemical compounds, are to be detected, for example the contamination of food with pesticides or the contamination of soils with environmental toxins. Mixtures of chemical compounds from plants such as plant extracts or from animals or humans, for example blood samples or organ samples, can also be analyzed in the method according to the invention. For example, blood glucose can be measured. The method according to the invention is therefore suitable for trace analysis, for the quantification of substances and for diagnostics. The method according to the invention is particularly suitable for the bioflux analysis of fermentation samples, environmental samples and food samples.
Der Meßfehler bei der Bestimmung der chemischen Verbindungen im erfindungsgemäßen Verfahren liegt unter 10 %, bevorzugt unter 7,5 % , besonders bevorzugt unter 5 % .The measurement error in the determination of the chemical compounds in the method according to the invention is below 10%, preferably below 7.5%, particularly preferably less than 5%.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können neben der Analyse von chemischen Verbindungen auch vorteilhaft Enzymreaktionen verfolgt werden, das heißt es können Enzymkinetiken aufgestellt werden. Weiter kann der Km-Wert, der Vmax-Wert, die Selektivität des Enzyms, die Ausbeute der Reaktion bestimmt werden sowie die Auswirkung von Inhibitoren auf die Enzymreaktion in vivo und in vitro verfolgt werden. Auch können mögliche Reaktionsparameter wie die Temperatur oder der pH auf die Enzym-katalysierte Reaktion untersucht werden.In addition to the analysis of chemical compounds, the method according to the invention can also advantageously be used to monitor enzyme reactions, ie enzyme kinetics can be set up. Furthermore, the K m value, the V max value, the selectivity of the enzyme, the yield of the reaction can be determined and the effect of inhibitors on the enzyme reaction can be monitored in vivo and in vitro. Possible reaction parameters such as temperature or pH for the enzyme-catalyzed reaction can also be examined.
Eine Reinigung der Reaktions- bzw. Fermentationslösung ist für das erfindungsgemäße Verfahren vor der Analyse mit der MALDI-TOF- Massenspektrometrie nicht erforderlich. Die Reaktion kann direkt gemessen werden. Dies gilt insbesondere für komplexe Probengemische auf Fermentationsbrühen im Rahmen von Bioflux-Analysen. Auch müssen für die Reaktion keine Reinsubstanzen verwendet werden obwohl dies natürlich möglich ist .A cleaning of the reaction or fermentation solution is not necessary for the method according to the invention before analysis with MALDI-TOF mass spectrometry. The reaction can be measured directly. This applies in particular to complex sample mixtures on fermentation broths as part of bioflux analyzes. Also, no pure substances have to be used for the reaction, although this is of course possible.
Vorteilhaft können chemische Verbindungen, die im MALDI-TOF-MS nur schlecht oder gar nicht nachweisbar sind vor der Analyse derivatisiert werden (siehe Beispiele) und so schließlich analysiert werden. Die Derivatisierung kann vor oder nach der chemischen oder enzymatischen Reaktion oder des fermentativenChemical compounds which are poorly or not at all detectable in MALDI-TOF-MS can advantageously be derivatized before the analysis (see examples) and thus finally analyzed. The derivatization can take place before or after the chemical or enzymatic reaction or the fermentative
Prozesse erfolgen. Eine Derivatisierung ist besonders vorteilhaft in Fällen, in denen in hydrophobe bzw. flüchtige Verbindungen beispielsweise wie Ester, Amide, Lactone, Aldehyde, Ketone, Alkohole etc. hydrophile Gruppen eingeführt werden, die vorteil- haft noch eine ionisierbare Funktionalität tragen. Beispiele für derartige Derivatisierungen sind Umsetzungen von Aldehyden oder Ketonen zu Oximen, Hydrazonen oder deren Derivate oder Alkoholen zu Estern beispielsweise mit symmetrischen oder gemischten Anydriden. Dies erweitert das Nachweisspektrum des Verfahrens signifikant. Die Derivatisierung nach Ablauf der chemischen oder enzymatischen Reaktion oder des fermentativen Prozesses ermöglicht die direkte Messung des Originalsubstrats der Reaktion bzw. des Prozesses. Durch die Verwendung der MALDI-TOF-MS können dadurch auch Substanzen analysiert werden, die keinen Chromophor enthalten. Dies ist gegenüber anderen Verfahren ein erheblicher Vorteil, da für beispielsweise übliche Detektionsverfahren beispielsweise über eine visuelle Erkennung in der Regel artifizielle Substrate, die beispielsweise einen Chromophor enthalten, verwendet werden müssen. Diese führen bei einer Optimierung auf diese Reaktion möglicherweise nicht zu einerProcesses take place. A derivatization is particularly advantageous in cases in which hydrophilic groups are introduced into hydrophobic or volatile compounds, such as esters, amides, lactones, aldehydes, ketones, alcohols, etc., which advantageously also have an ionizable functionality. Examples of such derivatizations are reactions of aldehydes or ketones to oximes, hydrazone or their derivatives or alcohols to esters, for example with symmetrical or mixed anhydrides. This extends the detection spectrum of the method significantly. The derivatization after the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process has taken place enables the direct measurement of the original substrate of the reaction or the process. By using the MALDI-TOF-MS, substances that do not contain a chromophore can also be analyzed. This is a considerable advantage over other methods, since for example conventional detection methods, for example by means of visual recognition, as a rule artificial substrates which, for example, contain a chromophore, must be used. When optimized for this reaction, these may not lead to one
Verbesserung der gewünschten natürlichen enzymatischen Umsetzung, da die Optimierung dieser artifiziellen Reaktion nicht die natür- liehen Verhältnisse widerspiegelt.Improvement of the desired natural enzymatic implementation, since the optimization of this artificial reaction does not reflects relationships.
Vorteilhaft wird im erfindungsgemäßen Verfahren zur Analyse der chemischen oder enzymatischen Reaktion oder des fermentativen Prozesses ein interner Standard zugesetzt. Dieser interneAn internal standard is advantageously added in the method according to the invention for analyzing the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process. This internal
Standard ermöglicht vorteilhaft die Quantifizierung der niedermolekularen Verbindungen in der Reaktionslösung. Dieser Standard kann der chemischen oder enzymatischen Reaktion oder dem fermentativen Prozess vor Beginn, während oder nach Abschluß der chemischen oder enzymatischen Reaktion oder des fermentativen Prozesse zugesetzt werden. Vorteilhaft wird der interne Standard dem fermentativen Prozess vor Beginn zugesetzt beispielsweise in Form von markierten Kohlenstoff- oder Stickstoffquellen. Diese Kohlenstoff- oder Stickstoffquellen dienen dabei als Substrat, das heißt der interne Standard dient in diesem Fall als Substrat im Metabolismus der Organismen. In diesem Fall handelt es sich bei dem internen Standard um eine sogenannte "Tracer-Substanz" mit deren Hilfe ein Markierungsmuster der entstehenden Verbindungen im Organismus durch anabole und/oder katabole Reak- tionen im Metabolismus erstellt werden kann. Mit Hilfe dieses Markierungsmuster kann der spezielle Metabolismus eines Organismus beispielsweise eines Mikroorganismus wie einem Bakterium oder einem Pilz oder einer Pflanze oder einem Tier oder Mensch aufgeklärt werden. Die Markierung des internen Standards überträgt sich in diesem Fall auf die entstehenden Metabolite des Stoffwechsels . Es können so die metabolischen Flüsse im Organismus studiert und identifiziert werden. Es lassen sich so Zwischenprodukte im Stoffwechsel nachweisen. Dies gilt auch für Zwischenprodukte chemischer oder enzymatischer Reaktionen. Im Vordergrund bei diesen Bioflux-Analysen steht die Quantifizierung der Isoto- pomerenverteilung der verschiedenen markierten Zwischenprodukte des Metabolismus . Die Zwischenprodukte können aber auch neben dem qualitativen Nachweis noch quantifiziert werden. Dazu können weitere anders markierte internen Standards nach dem Ende der Reak- tion oder der Fermentation zugesetzt werden. Die Zwischenprodukte sind letztlich auch als Produkte des zu Beginn der Reaktion eingesetzten Edukts zu verstehen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können demnach auch Enzymreaktionen verfolgt bzw. analysiert werden, die aufeinanderfolgende Reaktion katalysieren. Diese kön- nen durch ein Enzym oder durch mehrere Enzyme katalysiert werden. Auch Nebenprodukte können analysiert werden.Standard advantageously enables the quantification of the low molecular weight compounds in the reaction solution. This standard can be added to the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process before the start, during or after the completion of the chemical or enzymatic reaction or the fermentative process. The internal standard is advantageously added to the fermentative process before the start, for example in the form of labeled carbon or nitrogen sources. These carbon or nitrogen sources serve as a substrate, i.e. the internal standard in this case serves as a substrate in the metabolism of the organisms. In this case, the internal standard is a so-called "tracer substance", with the aid of which a marking pattern of the resulting compounds in the organism can be created by anabolic and / or catabolic reactions in the metabolism. With the aid of this marking pattern, the specific metabolism of an organism, for example a microorganism such as a bacterium or a fungus or a plant or an animal or human, can be elucidated. In this case, the marking of the internal standard is transferred to the metabolites of the metabolism. In this way, the metabolic flows in the organism can be studied and identified. In this way, intermediate products in the metabolism can be detected. This also applies to intermediate products of chemical or enzymatic reactions. In the foreground of these bioflux analyzes is the quantification of the isotopomer distribution of the different labeled intermediate products of the metabolism. The intermediate products can also be quantified in addition to the qualitative detection. To this end, other differently marked internal standards can be added after the end of the reaction or fermentation. The intermediate products are ultimately also to be understood as products of the starting material used at the start of the reaction. Accordingly, the method according to the invention can also be used to monitor or analyze enzyme reactions which catalyze the successive reaction. These can be catalyzed by one or more enzymes. By-products can also be analyzed.
Als internen Standard werden vorteilhaft markierte Substanzen verwendet, die vorteilhaft im Stoffwechsel in einem Organismus umgesetzt werden oder die in einer chemischen oder enzymatischen Reaktion umgesetzt werden. Es sind aber. auch prinzipiell den Edukten und/oder Produkten ähnliche chemische Verbindungen als interner Standard geeignet . Derartige ähnliche chemische Verbindungen sind beispielsweise sogenannten Verbindungen einer homologen Reihe, deren Mitglieder sich nur durch beispielsweise eine zusätzliche Methylengruppe unterscheiden. Als interner Standard werden bevorzugt durch mindestens ein Isotop ausgewählt aus der Gruppe 2H, 13C, 15N, 170, 180, 33S, 3S, 36S, 35C1, 37C1, 29Si, 30Si, 74Se oder deren Mischungen markiertes Edukt, Produkt, wobei Edukt und/oder Produkt eine organische Verbindung sein können, die als Kohlenstoff- und/oder Stickstoffquelle oder sonst irgendwie im Organismus Verwendung finden kann, oder eine weitere markierte chemische Verbindung verwendet . Vorteilhaft wird die chemische Verbindung durch mindestens ein Isotop ausgewählt aus der 2H 13C, ISN, 170, 180f 33S/ 34g, 36S 35C1_, 37C1| 29Sij 30Si Labeled substances are advantageously used as the internal standard, which are advantageously implemented in the metabolism in an organism or which are implemented in a chemical or enzymatic reaction. But there are. also chemical compounds similar to the starting materials and / or products in principle internal standard suitable. Similar chemical compounds of this type are, for example, so-called compounds of a homologous series, the members of which differ only by, for example, an additional methylene group. As an internal standard, at least one isotope is preferably selected from the group 2 H, 13 C, 15 N, 17 0, 18 0, 33 S, 3 S, 36 S, 35 C1, 37 C1, 29 Si, 30 Si, 74 Se or their mixtures of labeled starting material, product, where starting material and / or product can be an organic compound which can be used as a carbon and / or nitrogen source or in any other way in the organism, or uses a further labeled chemical compound. The chemical compound is advantageously selected by at least one isotope from the 2 H 1 3 C, ISN, 17 0, 18 0f 33 S / 34g, 36 S 35 C1 _, 37 C1 | 29 Sij 30 Si
74Se oder deren Mischungen markiert . Bevorzugt wird aus Kosten- gründen und aus Gründen der Zugänglichkeit 2H, 15N oder 13C als Isotop verwendet. Beispiele für derartig markierte Substanzen sind L-α15N-Lysin, L-l-l3C-Alanin und l-13C-Glucose. Diese internen Standard brauchen für die Analyse nicht komplett, das heißt vollmarkiert zu sein. Eine Teilmarkierung ist völlig ausreichend. Ein Abstand der Markierung von größer/gleich 3 Dalton bis kleiner/ gleich 10 Dalton ist vorteilhaferweise ausreichend. Eine Messung ist aber auch unter 3 Dalton oder über 10 Dalton prinzipiell möglich, wobei aber bei kleinen Abständen eventuell Überlagerungen mit den Isotopen des Analyten oder bei größeren Abständen eventuell Isotopeneffekte auftreten können. Dies erschwert die Messungen macht sie aber nicht unmöglich. Vorteilhaft wird auch im Falle eines markierten internen Standards eine Substanz gewählt, die eine möglichst hohe Homologie, das heißt strukturelle Ähnlichkeit, zu der zu messenden chemischen Ver- bindung hat. Je höher die strukturelle Ähnlichkeit ist, desto besser sind die Meßergebnisse und desto genauer kann eine Quantifizierung der Verbindung erfolgen. 74 Se or their mixtures marked. For cost reasons and for reasons of accessibility, 2 H, 15 N or 13 C is preferably used as the isotope. Examples of such labeled substances are L-α 15 N-lysine, Lll 3 C-alanine and I- 13 C-glucose. These internal standards do not need to be complete for analysis, that is, they must be fully marked. A partial marking is completely sufficient. A distance of the marking from greater than or equal to 3 daltons to less than or equal to 10 daltons is advantageously sufficient. However, a measurement is also possible in principle under 3 daltons or over 10 daltons, although overlapping with the isotopes of the analyte may occur at small distances or isotope effects may occur at larger distances. This complicates the measurements but does not make them impossible. In the case of a marked internal standard, it is also advantageous to choose a substance which has the highest possible homology, that is to say structural similarity, to the chemical compound to be measured. The higher the structural similarity, the better the measurement results and the more accurately the connection can be quantified.
Für das erfindungsgemäße Verfahren und besonders für die Quanti- fizierung der in der Reaktion vorhandenen chemischen Verbindungen wie Edukte, Produkte, Zwischenprodukte oder Nebenprodukte ist es vorteilhaft den internen Standard in einem günstigen Verhältnis zu der zu messenden Verbindung wie Edukt, Produkt, Zwischenprodukt oder Nebenprodukt einzusetzen. Verhältnisse von Analyt (= zu bestimmende Verbindung) zu internem Standard größer 1:15 führen zu keiner Verbesserung der Meßergebnisse, sind jedoch prinzipiell möglich. Vorteilhaft wird ein Verhältnis von Analyt zu internem Standard in einem Bereich von 0,1 bis 15 eingestellt, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 10, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 5 , ganz besonders bevorzugt einem Verhältnis von 1:1. Wenn bei der Bioflux-Analyse Flußverteilungen und Reversibilitäten von Reaktionen bestimmt werden, so wird der interne Standard vorteilhaft in solchen Mengen zugegeben, daß die resultierenden Intensitätsverteilungen der Analyte vorteilhaft in einem Bereich von 0,1 bis 10, bevorzugt in einem Bereich von 0,2 bis 5, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0 , 5 bis 2 , ganz besonders bevorzugt in einem Verhältnis von 1:1 liegen.For the method according to the invention and in particular for the quantification of the chemical compounds present in the reaction, such as starting materials, products, intermediate products or by-products, it is advantageous to use the internal standard in a favorable ratio to the compound to be measured, such as starting material, product, intermediate product or by-product , Ratios of analyte (= connection to be determined) to internal standard greater than 1:15 do not improve the measurement results, but are possible in principle. A ratio of analyte to internal standard is advantageously set in a range from 0.1 to 15, preferably in a range from 0.5 to 10, particularly preferably in a range from 1 to 5, very particularly preferably a ratio of 1: 1 , If flow distributions and reversibility of reactions are determined in the bioflux analysis, the internal standard is advantageously added in such amounts that the resulting intensity distributions of the analytes are advantageously in a range from 0.1 to 10, preferably in a range from 0.2 to 5, particularly preferably in a range from 0.5 to 2, very particularly preferably in a ratio of 1: 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Messung von nicht- polymeren Verbindungen in einer vorteilhaften Konzentration von 1 μM bis 500 mM, bevorzugt von 10 μM bis 100 mM.The method according to the invention enables the measurement of non-polymeric compounds in an advantageous concentration from 1 μM to 500 mM, preferably from 10 μM to 100 mM.
Vorteilhaft werden die Analysenproben auf einen möglichst kleinen Raum bzw. auf einen möglichst kleinen Durchmesser konzentriert, um eine weitere Verbesserung der Meßpunktsauflösung bzw. Meßgenauigkeit zu erreichen.The analysis samples are advantageously concentrated in the smallest possible space or on the smallest possible diameter in order to achieve a further improvement in the measurement point resolution or measurement accuracy.
Die Reaktionsproben im erfindungsgemäßen Verfahren können manuell oder vorteilhaft automatisch mit üblichen Laborrobotern vor- bereitet werden. Auch die Analyse mit MALDI-TOF-MS kann manuell oder vorteilhaft automatisch durchgeführt werden. Durch die Automatisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die MALDI- Massenspektrometrie vorteilhaft zum schnellen Screening Enzymkatalysierter Reaktionen im sogenannten High-Throughput-Screening verwendet werden. Dabei zeichnet sich die MALDI-TOF-MS durch eine hohe Empfindlichkeit bei geringstem Probenverbrauch aus. So kann beispielsweise ein rasches Screening nach metabolischen Aktivitäten in Mikrotiterplatten durchgeführt werden. Mit. der Methode können als rasch neue Enzymaktivitäten sowie neue Mutanten be- kannter Enzyme nach einer Mutagenese beispielsweise über nach einer klassischen Mutagenese mit chemischen Agentien wie NTG, Strahlung wie UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung oder nach einer sogenannten site-direkted mutagenesis, PCR-Mutagenese oder dem sogenannten gene shuffling gefunden werden. Dies zeigt sich in einer Veränderung bei der Bioflux-Analyse gegenüber dem entsprechenden Ausgangsorganismus .The reaction samples in the method according to the invention can be prepared manually or advantageously automatically using conventional laboratory robots. The analysis with MALDI-TOF-MS can also be carried out manually or advantageously automatically. By automating the method according to the invention, MALDI mass spectrometry can advantageously be used for the rapid screening of enzyme-catalyzed reactions in so-called high-throughput screening. The MALDI-TOF-MS is characterized by a high sensitivity with the lowest sample consumption. For example, rapid screening for metabolic activities in microtiter plates can be performed. With . The method can be used as rapid new enzyme activities and new mutants of known enzymes after a mutagenesis, for example via a classic mutagenesis with chemical agents such as NTG, radiation such as UV radiation or X-rays or after a so-called site-directed mutagenesis, PCR mutagenesis or the so-called gene shuffling can be found. This is reflected in a change in the bioflux analysis compared to the corresponding starting organism.
Vorteilhaft werden für das erfindungsgemäße Verfahren Trägermate- rialen mit einem Rauhigkeitwert bzw. einer Rauhigkeitszahl von Rz größer 1, bevorzugt größer 2, besonders bevorzugt größer 3, ganz besonders bevorzugt größer 4 verwendet . Dabei bedeutet Rz die gemittelte Rauhtiefe (μm) als arithmetisches Mittel aus den Einzelrauhtiefen fünf aneinandergrenzenden Einzelmeßstrecken. Die Rauhtiefe wird nach DIN 4768 ermittelt. Diese Trägermaterialen sind polierte, beschichtete oder bedampfte Trägermaterialien oder polierte und beschichtete oder polierte- und bedampfte Trägermaterialien. Die Träger bestehen aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Glas, Keramik, Quarz, Metall, Stein, Kunststoff, Gummi, Silicium, Germanium oder Porzellan. Bevorzugt besteht das Material aus Metall oder Glas.Carrier materials with a roughness value or a roughness number of R z greater than 1, preferably greater than 2, particularly preferably greater than 3, very particularly preferably greater than 4 are advantageously used for the method according to the invention. R z means the average roughness depth (μm) as the arithmetic mean of the individual roughness depths of five adjacent individual measuring sections. The roughness depth is determined according to DIN 4768. These carrier materials are polished, coated or vapor-coated carrier materials or polished and coated or polished and vapor-coated carrier materials. The straps are made of a material selected from the group of glass, ceramics, quartz, metal, stone, plastic, rubber, silicon, germanium or porcelain. The material preferably consists of metal or glass.
5 Zur Ermittlung weiterer Analysendaten kann im erfindungsgemäßen Verfahren die Analyse zusätzlich mit Hilfe des metastabilen Zerfalls nach der Ionisierung oder des stoß-induziertem Zerfalls erfolgen. Dadurch können weitere Massendaten gewonnen werden, die die Identifizierung der vorhandenen Edukte, Produkte, Neben- 10 rodukte oder Zwischenprodukte erleichtern bzw. ermöglichen und vorteilhaft auch die Bestimmung der Isotopomerenverteilung erweitern.5 To determine further analysis data, the analysis in the method according to the invention can additionally be carried out with the aid of the metastable decay after the ionization or the shock-induced decay. As a result, further mass data can be obtained which facilitate or enable the identification of the starting materials, products, by-products or intermediate products present and advantageously also expand the determination of the isotopomer distribution.
Vorteilhaft wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Dynamik 15 des Markierungsmusters und die Konzentration der chemischenIn the method according to the invention, the dynamics 15 of the marking pattern and the concentration of the chemical are advantageous
Verbindungen speziell in den enzymatischen Reaktion bzw. in den fermentativen Prozessen gemessen. Dadurch können Enzymkinetiken oder zellinterne oder zellexterne Substanz-Pools oder sonstige kinetische Parameter analysiert werden. Es können so Km und Vmax 20 eines Enzyms bestimmt werden.Compounds specifically measured in the enzymatic reaction or in the fermentative processes. As a result, enzyme kinetics or cell-internal or cell-external substance pools or other kinetic parameters can be analyzed. In this way, K m and V max 20 of an enzyme can be determined.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert:The invention is illustrated by the following examples:
BeispieleExamples
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Die folgenden Beispiele zeigen die Quantifizierung von Meta- boliten des Stoffwechsels (= chemische Verbindungen) während der Fermentation des Lysin-produzierenden Mikroorganismus Coryne- bacterium glutamicum ATCC 21253. Die Lysin-Produktion mit Mikro-The following examples show the quantification of metabolites of metabolism (= chemical compounds) during the fermentation of the lysine-producing microorganism Corynebacterium glutamicum ATCC 21253. Lysine production with micro-
30 Organismen ist einer der großen biotechnologischen Fermentationsprozesse (Jetten und Sinskey, Crit. Rev. Biotechnol., 15, 1995: 73-103) .30 organisms is one of the major biotechnological fermentation processes (Jetten and Sinskey, Crit. Rev. Biotechnol., 15, 1995: 73-103).
Für die Versuche wurden folgenden Chemikalien verwendet : 35 95 bis 99 % L-α15N-Lysin, 99 % L-l-iC-Alanin und 99 % 1-13C- Glucose von Euroisotop (Gif-sur-Yvette, Frankreich) , Zuckermelasse von Südzucker AG (Mannheim/Ochsenfurt, Deutschland) mit einem Trockengewicht von 84 % und einer Polarität von 51,4 und einem pH von 7,4. Alle anderen Chemikalien stammen von Sigma- 40 Aldrich (Deisenhofen, Deutschland) .The following chemicals were used for the experiments: 35 95 to 99% L-α 15 N-lysine, 99% Ll- i C-alanine and 99% 1- 13 C-glucose from Euroisotop (Gif-sur-Yvette, France), Sugar molasses from Südzucker AG (Mannheim / Ochsenfurt, Germany) with a dry weight of 84% and a polarity of 51.4 and a pH of 7.4. All other chemicals come from Sigma-40 Aldrich (Deisenhofen, Germany).
Der Stamm Corynebacterium glutamicum ATCC 21253 wurde auf PMB- Medium (Vallino und Stephanopolus , Biotechnol. Bioeng., 41, 1993: 633-646) entweder mit 18 g/1 Glucose als Kohlenstoff uelle 45 (= Mineralmedium) oder mit 20 g/1 Melasse (= Komplexmedium) angezogen. Mit 0,9 % NaCl gewaschene, auf LBG5-Medium (Vallino und Stephanopolus, Biotechnol. Bioeng., 41, 1993: 633-646) vorge- zogene Zellen wurden in 0,9 % NaCl resuspendiert und als Inoculum genommen. Die Experimente mit Melasse wurden in 100 ml Schüttelkolben durchgeführt . Die Kultivierung in Mineralmedium wurden in 100 ml Bioreaktoren (Meredos, Nörten-Hardenberg, Deutschland) durchgeführt. Die Kultivierung erfolgte bei pH 7,0 und 30°C.The strain Corynebacterium glutamicum ATCC 21253 was on PMB medium (Vallino and Stephanopolus, Biotechnol. Bioeng., 41, 1993: 633-646) either with 18 g / 1 glucose as carbon source 45 (= mineral medium) or with 20 g / 1 Molasses (= complex medium) attracted. Washed with 0.9% NaCl, preformed on LBG5 medium (Vallino and Stephanopolus, Biotechnol. Bioeng., 41, 1993: 633-646) Raised cells were resuspended in 0.9% NaCl and taken as an inoculum. The experiments with molasses were carried out in 100 ml shake flasks. The cultivation in mineral medium was carried out in 100 ml bioreactors (Meredos, Nörten-Hardenberg, Germany). The cultivation was carried out at pH 7.0 and 30 ° C.
Die Biomasse wurde bei einer optischen Dichte von 660 nm (Ultrospec 2000, Amersham Pharmacia Biotech Europe, Freiburg, Deutschland) und als Biotrockenmasse gravimetrisch bestimmt. Der Korrelationsfaktor zwischen optischer Dichte und Biotrockenmasse ist 0,29 * OD660nm = Biotrockenmasse in der Einheit g/1. Die Aminosäuren wurden in Doppelbestimmungen mit der HPLC unter Verwendung eines Derivatisierungs-Kits (ACCQ-TAG, Waters, Milford, USA), einer ACCQ-TAG-Säule (Waters, Milford, USA) mit einem Gradienten aus ACCQ-EluentA (Waters, Milford, USA) und Aceto- nitril/Wasser (60:40) bei einem Fluß von 0,8 ml/min, 37°C und UV-Detection bei 250 nm. Die Meßfehler bei der Lysin- und Alanin-Bestimmung betrugen jeweils 1,6 bzw. 2,5 %. Glucose wurde enzymatisch in Doppelbestimmungen bestimmt (Sigma-Aldrich, Dei- senhofen, Deutschland) . Der Meßfehler bei den Bestimmungen betrug 1,7 %.The biomass was determined gravimetrically at an optical density of 660 nm (Ultrospec 2000, Amersham Pharmacia Biotech Europe, Freiburg, Germany) and as a dry biomass. The correlation factor between optical density and dry biomass is 0.29 * OD 6 6 0nm = dry biomass in the unit g / 1. The amino acids were duplicated by HPLC using a derivatization kit (ACCQ-TAG, Waters, Milford, USA), an ACCQ-TAG column (Waters, Milford, USA) with a gradient of ACCQ-EluentA (Waters, Milford , USA) and acetonitrile / water (60:40) at a flow of 0.8 ml / min, 37 ° C and UV detection at 250 nm. The measurement errors in the lysine and alanine determination were 1, 6 or 2.5%. Glucose was determined enzymatically in duplicate (Sigma-Aldrich, Deisenhofen, Germany). The measurement error in the determinations was 1.7%.
Die MALDI-TOF-MS-Messungen wurden mit einem Bruker Reflex III (Bruker-Franzen, Bremen, Deutschland) mit einem 337 nm Stick- stofflaser und einem rechtwinkligen 384-Well Scout target zur Probenaufnahme durchgeführt . Das Gerät verfügt über einen 8 Bit Digitalisierer. Als Matrix wurden verschieden Verbindungen verwendet. 2.5-Dihydroxybenzoesäure (= DHB) wurde in Methanol (200 mg/ml) und 5-Aminoquinolin (= 5AQ) in deionisiertem Wasser (75 mg/ml) gelöst. Die folgenden Matrixes wurden in bis zurThe MALDI-TOF-MS measurements were carried out using a Bruker Reflex III (Bruker-Franzen, Bremen, Germany) with a 337 nm nitrogen laser and a right-angled 384-well scout target for sample collection. The device has an 8 bit digitizer. Various compounds were used as the matrix. 2.5-Dihydroxybenzoic acid (= DHB) was dissolved in methanol (200 mg / ml) and 5-aminoquinoline (= 5AQ) in deionized water (75 mg / ml). The following matrixes were created in
Sättigung in einem Gemisch von Acetonitril :Wasser :Trifluoressig- säure (70:30: :0,1) gelöst: Sinapinsäure (= SA), Trihydroxyaceto- phenon (= TACP) und 4-Hydroxy-azobenzol-2-carbonsäure (= HABA) . Im Falle der Matrixes SA, HABA, TACP und 5AQ wurden 0,3 μl Matrix in die Mitte eines Meßpunktes pipettiert und an der Luft getrocknet. Danach wurden auf jeden Meßpunkt 0,3 μl der zu messenden Proben pipettiert. Die besten Ergebnisse wurden mit DHB als Matrix nach folgenden Schema erzielt: Ein dünner Film der Matrixlö- sung wurde auf einen Metallträger durch langsame Bewegung der Pi- pette über benachbarte Meßpunkte aufgetragen. Durch die Oberflächenspannung wurde die Lösung automatisch von der Pipettenspitze auf den Metallträger übertragen und bildete dort einen dünnen Film, der innerhalb von Sekunden abtrocknete. Die Proben (0,3 μl) wurden anschließend in die Mitte der Meßpunkte pipettiert. Die so behandlete Metallträgerplatte wurden an der Luft über ca. 10 Minuten getrocknet und anschließend direkt in die Vakuumkammer des MALDI-Meßgeräts eingeführt. Jeder Meßpunkt wurde mit 50 Laser- Schüssen aus 5 verschiedenen Positionen analysiert. Je fünf Meßpunkte wurden pro zu messender Probe hergestellt und analysiert. In einigen Fällen lieferten die Schüsse aufgrund der heterogenen Kristallisation übersteuerte oder zu schwache Signale (< 10 Zäh- 1er pro Schuß) . Aufgrund der Tatsache das die Integration der Flächeneinheiten solcher Schüsse zu Fehlern führen würden, wurden sie von der Analyse ausgeschlossen. Die direkte Verwendung des Überstands der Fermentationsbrühen führte gewöhnlich zu dicken und dichten Kristallen mit eine schwachen Signaleffizienz selbst für Matrixionen. Dieser Effekt liegt vermutlich am hohen Salzgehalt der Fermentationsbrühen, welcher die Sensitivität der MALDI- Analysen bekanntlichermaßen herabsetzt (Karas et al . , Biomed. En- viron. Mass Spectrom. 18, 1989: 841-843). Eine beispielsweise 1:5 Verdünnung der Proben mit beispielsweise deionisiertem Wasser vor der MALDI-Analyse verbessert die Ergebnisse drastisch.Saturation in a mixture of acetonitrile: water: trifluoroacetic acid (70:30:: 0.1) dissolved: sinapic acid (= SA), trihydroxyacetophenone (= TACP) and 4-hydroxy-azobenzene-2-carboxylic acid (= HABA ). In the case of the SA, HABA, TACP and 5AQ matrixes, 0.3 μl of matrix were pipetted into the middle of a measuring point and air-dried. Then 0.3 μl of the samples to be measured were pipetted onto each measuring point. The best results were achieved with DHB as a matrix according to the following scheme: A thin film of the matrix solution was applied to a metal support by slowly moving the pipette over neighboring measuring points. Due to the surface tension, the solution was automatically transferred from the pipette tip to the metal carrier, where it formed a thin film that dried within seconds. The samples (0.3 μl) were then pipetted into the middle of the measuring points. The metal carrier plate treated in this way was dried in air for about 10 minutes and then introduced directly into the vacuum chamber of the MALDI measuring device. Each measuring point was Shots analyzed from 5 different positions. Five measuring points were produced and analyzed for each sample to be measured. In some cases the shots gave overdriven or too weak signals (<10 counts per shot) due to the heterogeneous crystallization. Due to the fact that the integration of the surface units of such shots would lead to errors, they were excluded from the analysis. The direct use of the fermentation broth supernatant usually resulted in thick and dense crystals with poor signal efficiency even for matrix ions. This effect is probably due to the high salt content of the fermentation broths, which is known to reduce the sensitivity of the MALDI analyzes (Karas et al., Biomed. Environ. Mass Spectrom. 18, 1989: 841-843). For example, a 1: 5 dilution of the samples with, for example, deionized water before the MALDI analysis improves the results drastically.
Beispiel 1: Detektion der Metabolite mit MALDI-TOF-MSExample 1: Detection of the metabolites with MALDI-TOF-MS
Lysin, Alanin, Glucos und Sucrose wurden mit positiven Reflector- modus bestimmt. Figur la zeigt das Spektrum einer 2,5 mM Mischung dieser 4 Verbindungen mit einer DHB-Matrix in deionisiertem Wasser. Als Kontrolle zeigt Figur lb reines deionisiertes Wasser. Die gebildeten Ionen konnten klar den einzelnen Analyten durch Einzelanalyse der Analyten und Vergleich mit den Spektren stabiler markierter Isotopen der Analyten zugeordnet werdenLysine, alanine, glucose and sucrose were determined with positive reflector mode. Figure la shows the spectrum of a 2.5 mM mixture of these 4 compounds with a DHB matrix in deionized water. As a control, FIG. 1b shows pure deionized water. The ions formed could be clearly assigned to the individual analytes by individual analysis of the analytes and comparison with the spectra of more stable labeled isotopes of the analytes
(Ergebnisse nicht gezeigt) . Alanin und Lysin bilden hauptsächlich [M+H]+Ionen bei jweils m/z 90 und m/z 147. Mit geringerer Intensität wurden Addukte der zwei Verbindungen mit Natrium- und Kalium-Ionen bei der entsprechenden -Masse detektiert. Glucose (m/z 203, 219) und Saccharose (m/z 365, 381) gaben klare Signale als [M+Na]+- und [M+K] +-Addukte. Es wurden keine protonierten Ionen dieser Zucker beobachtet. Besonders Lysin gab starke Signale. Dies ist vermutlich auf die beiden Aminogruppen des Moleküls zurückzuführen, die im Positiv-Mode durch die Ionisation leicht geladen werden können. Die Kontrolle mit reinem DHB ergab keine isobaren Überlagerungen zwischen Analyt und Matrix. Die Hauptionen, die mit DHB detektiert wurden waren: [DHB-H20]+ bei m/z 136, [DHB-H20+H]+ bei m/z 137, [DHB]+ bei m/z 154, [DHB+H] + bei m/z 155, [DHB-H20+Na]+ bei m/z 159, [DHB-H+Na]+ bei m/z 176, [DHB+Na]+ bei m/z 177, [DHB-H+2Na]+ bei m/z 199 und möglicherweise das Umwandlungsprodukt der dimeren Ionen bei m/z 273, 304 und 375. Das Verhältnis der protonierten Ionen zu den Ionen mit Natrium und Kalium hängt bzw. hing von den Proben- und den Analysen-Bedingungen ab. Die Menge an Ionen mit Kalium und Natrium nahm stark zu, wenn der Puffer mit diesen Ionen in den Proben vorhanden war. Gewöhnlich nahm die Zahl der verschiedenen Ionen mit -wachsender Laserenergie zu, die für die Ionisation ver- wendet wurde. Alle vier Verbindungen konnten gleichzeitig in einer Probe bestimmt werden. Die Intensität der einzelnen Verbindung ist dabei unterschiedlich, möglicherweise aufgrund ihrer heterogenen Verteilung in der Matrix. Die Signalintensität von Glucose und Alanin kann durch höhere Laserenergien gesteigert werden. Zusätzliche m+1 Signale wurden für alle Analyten beobachtet. Dies spiegelt das Vorhandensein natürlicher Isotope von Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in den Proben wieder. Die experimentellen m+1/m-Signalverhältnisse von 0,075±0,005 (Lysin), 0,038±0,005 (Alanin), 0,072±0,004 (Glucose) und 0, 140-ά:0, 011 (Saccharose) korrelieren sehr gut mit den theoretischen Werten von 0,076 für Lysin, 0,038 für Alanin, 0,071 für Glucose und 0,142 für Saccharose. Unter den getesteten Matrixes ergab DHB die besten Ergebnisse besonders für Zucker. Auch Sinapinsäure ergab gute Ergebnisse. Im negativ-Mode konnten keine Signale der Analyten erhalten werden.(Results not shown). Alanine and lysine mainly form [M + H] + ions at m / z 90 and m / z 147. Adducts of the two compounds with sodium and potassium ions were detected with the corresponding mass at a lower intensity. Glucose (m / z 203, 219) and sucrose (m / z 365, 381) gave clear signals as [M + Na] + and [M + K] + adducts. No protonated ions of these sugars were observed. Lysine in particular gave strong signals. This is probably due to the two amino groups of the molecule, which can be easily charged by the ionization in positive mode. The control with pure DHB showed no isobaric overlays between analyte and matrix. The main ions detected with DHB were: [DHB-H 2 0] + at m / z 136, [DHB-H 2 0 + H] + at m / z 137, [DHB] + at m / z 154, [DHB + H] + at m / z 155, [DHB-H 2 0 + Na] + at m / z 159, [DHB-H + Na] + at m / z 176, [DHB + Na] + at m / z 177, [DHB-H + 2Na] + at m / z 199 and possibly the conversion product of the dimeric ions at m / z 273, 304 and 375. The ratio of the protonated ions to the ions with sodium and potassium depends depending on the sample and analysis conditions. The amount of ions with potassium and sodium increased significantly when the buffer with these ions was present in the samples. Usually the number of different ions increased with increasing laser energy, which is used for ionization. was applied. All four compounds could be determined simultaneously in one sample. The intensity of the individual compound varies, possibly due to its heterogeneous distribution in the matrix. The signal intensity of glucose and alanine can be increased by higher laser energies. Additional m + 1 signals were observed for all analytes. This reflects the presence of natural isotopes of carbon, nitrogen, hydrogen and oxygen in the samples. The experimental m + 1 / m signal ratios of 0.075 ± 0.005 (lysine), 0.038 ± 0.005 (alanine), 0.072 ± 0.004 (glucose) and 0, 140-ά: 0, 011 (sucrose) correlate very well with the theoretical values of 0.076 for lysine, 0.038 for alanine, 0.071 for glucose and 0.142 for sucrose. Among the matrixes tested, DHB gave the best results, especially for sugar. Sinapic acid also gave good results. No signals of the analytes could be obtained in the negative mode.
Beispiel 2: Quantifizierung mit MALDI-TOF-MS und internem StandardExample 2: Quantification with MALDI-TOF-MS and internal standard
Die MALDI-TOF-Massenspektrum einer etwa 1:1 Mischung von 9 mM natürlich markiertem und 10 mM 95 % α15N-Lysin werden in Figur lc wiedergegeben. Die Signale bei m/z 147, 148 und 149 geben nichtmarkierte, einfach-markierte und doppelt-markierte Isotopen- fraktionen wieder. Die Signale bei m/z 147 und m/z 148 sind deutlich getrennt, so daß die zugehörigen Flächeneinheiten klar getrennt sind. Gleiches wurde für Alanin und Glucose (Daten nicht gezeigt) beobachtet. Die Flächeneinheiten der Signale von m geben die Menge an nicht-markiertem Lysin und die von m+1 die Menge an einfach-markiertem Lysin wieder. In der m+1-Fraktion sind auch natürliche Isotopen enthalten, die in den Ergebnissen enthalten sind und durch die theoretischen Werte korregiert werden müssen. Die Mengen werden mit Hilfe der folgenden Gleichungen quantifiziert:The MALDI-TOF mass spectrum of an approximately 1: 1 mixture of 9 mM naturally labeled and 10 mM 95% α 15 N-lysine are shown in FIG. 1c. The signals at m / z 147, 148 and 149 represent unlabeled, single-labeled and double-labeled isotope fractions. The signals at m / z 147 and m / z 148 are clearly separated so that the associated area units are clearly separated. The same was observed for alanine and glucose (data not shown). The area units of the signals of m represent the amount of unlabeled lysine and that of m + 1 the amount of single-labeled lysine. The m + 1 fraction also contains natural isotopes, which are contained in the results and must be corrected by the theoretical values. The quantities are quantified using the following equations:
sm+l , analyt e " Canaiyte + sm+l , Standard " Cgtandard s m + l, analyte "Canaiyte + s m + l, standard" Cgtandard
I = ( 1 ) sm, analyte " Ganalyte + s , Standard * CgtandardI = (1) s m, analyze "Ganalyte + s , standard * Cgtandard
( sm+l , Standard sm, Standard " 1 ) Canaiyte = Cgtandard ( 2 >( s m + l, standard s m, standard "1) Canaiyte = Cgtandard (2>
( sm, analyte " 1 ~ s +l , analyte )( s m, analyze "1 ~ s + l, analyze)
In den Gleichungen ist das Intentsitätsverhältnis I = Im+ι/I-t-. die Konzentration, von Analyt Canaiy e und interner Standard Cgtandard die Sensitivität s . Die Senistivität gibt die verschiedenen Massefraktionen einer Verbindung wieder . Beispielhaft ist die Sensitivität von Lysin wiedergegeben. Natürlich markiertes Lysin besteht aus 92,9 % nicht-markierten und 7,1 % einfach-markierten Isotopemeren, höher markierte Isotopomere sind zu vernachlässigen. Der verwendete interne Standard 95 % α15N-Lysin weist drei Hauptmassefraktionen auf: nicht-markierters Isotopomer (m) , α15N- markiertes Isotopomer (m+1) und natürlich markiertes Isotopomer des einfach-markierten α15N-Lysin (m+2) . Diese wurden mit jeweils 2,5 %, 90,6 % und 6,9 % quantifiziert. Dies führte zu den folgenden Sensitivitäten für Lysin: Sm,analyte = 0,929, Sm+ι,anaiyte = 0,071, Sm, Standard = 0,025 und Sm+ι, Standard = 0,906.In the equations, the ratio of intentions is I = I m + ι / It-. the concentration of analyte C ana e iy and internal standard Cg ta n dard the sensitivity s. The senistivity reflects the different mass fractions of a compound. The example is Sensitivity of lysine reproduced. Naturally labeled lysine consists of 92.9% unlabeled and 7.1% single-labeled isotopomers, higher-labeled isotopomers are negligible. The internal standard used 95% α 15 N-lysine has three main mass fractions: unlabeled isotopomer (m), α 15 N-labeled isotopomer (m + 1) and naturally labeled isotopomer of the single-labeled α 15 N-lysine (m +2). These were quantified with 2.5%, 90.6% and 6.9%, respectively. This led to the following sensitivities for lysine: S m , a nalyte = 0.929, S m + ι, ana iy te = 0.071, S m , standard = 0.025 and S m + ι, S tan d ard = 0.906.
Das Potential der MALDI-TOF-MS zur Quantifizierung wurde mit wäßrigen Mischungen natürlich markierter Verbindungen mit gleichen Mengen an internem Standard in einem Konzentrations- bereich des Analyten von 10 μM bis 100 mM getestet. Der Vergleich der theoretischen und experimentell bestimmten Konzentrationen an Lysin, Alanin und Glucose (Figuren 2A - F, Quantifizierung in wäßriger Lösung) zeigt eine klare lineare Beziehung mit einem Regressionskoeffizienten von 1000 für jeden Analyt. Dies zeigt das Potential der MALDI-MS in Kombination mit markierten internen Standards zur Analyse der Konzentration kleiner chemischer Verbindungen. Die mittlere Standardabweichung über alle durchgeführten Versuche beträgt für Lysin 4,3 %, für Glucose 3,2 % und für Alanin 3,7 %. Die besten Ergebnisse zur Quantifizierung wurden mit einer Konzentration von Analyt zu internem Standard von etwa 1:1 erreicht. Gute Quantifizierungen waren aber auch noch bei einem Konzentrationsverhältnis von Analyt zu internem Standard zwischen 0,2 bis 5 möglich.The potential of the MALDI-TOF-MS for quantification was tested with aqueous mixtures of naturally labeled compounds with equal amounts of internal standard in a concentration range of the analyte from 10 μM to 100 mM. Comparison of the theoretical and experimental concentrations of lysine, alanine and glucose (Figures 2A-F, quantification in aqueous solution) shows a clear linear relationship with a regression coefficient of 1000 for each analyte. This shows the potential of MALDI-MS in combination with marked internal standards for the analysis of the concentration of small chemical compounds. The mean standard deviation across all tests carried out is 4.3% for lysine, 3.2% for glucose and 3.7% for alanine. The best results for quantification were achieved with a concentration of analyte to internal standard of approximately 1: 1. However, good quantifications were also possible with a concentration ratio of analyte to internal standard between 0.2 to 5.
Beispiel 3: Anwendung von MALDI-TOF-MS auf C. glutamicum ATCC 21253 FermentationsbrühenExample 3: Application of MALDI-TOF-MS to C. glutamicum ATCC 21253 fermentation broths
MALDI-TOF-MS-Messungen wurden zur Quantifizierung von Metaboliten in C. glutamicum ATCC 21253 Fermentationsbrühen verwendet. Der Lysin-produzierende Stamm wurde in PMB Mineralmedium mit einer anfänglichen Konzentration an 20 g/1 Melasse und 18 g/1 Glucose angezogen (Figuren 3a und 3b) . In Figur 3a (Melasse) und 3b (Glucose) werden die Massenspektren von 1:5 verdünnten Kulturüberständen mit DHB als Matrix direkt nach der Inoculation wiedergegeben. Es konnten klare Signale der Substrate ermittelt werden. Sowohl Natrium- als auch Kalium-Addukte der beiden Verbindungen (Saccharose und Glucose) wurden bei m/z 203 und 219 (Glucose) und m/z 365 und 381 (Saccharose) gefunden. Keine Signale wurden bei den m/z-Werten für Lysin und Alanin gefunden, die erst während der Kultivierung gebildet werden. Ein Beispiel für ein MALDI-Spektrtim am Ende der Kultivierung nach 40 Stunden ist in Figur 3c für das Wachstum auf Mineralmedium mit einer Konzentration von anfänglich 18 g/1 Glucose wiedergegeben. Das Glucose-Signal ist verschwunden. Die beiden Hauptprodukte des Stammes Alanin und Lysin können klar detektiert werden. Besonders hohe' Signale resultieren vom Lysin, das als Hauptionen die Ionen [M+H]+ bei m/z 147, [M+Na]+ bei m/z '169 und [M+K]+ bei m/z 185 zeigt. Alanin wurde mit [M+H]+ bei m/z 90 bestimmt.MALDI-TOF-MS measurements were used to quantify metabolites in C. glutamicum ATCC 21253 fermentation broths. The lysine producing strain was grown in PMB mineral medium with an initial concentration of 20 g / 1 molasses and 18 g / 1 glucose (Figures 3a and 3b). In Figure 3a (molasses) and 3b (glucose) the mass spectra of 1: 5 diluted culture supernatants with DHB as a matrix are shown directly after the inoculation. Clear signals of the substrates could be determined. Both sodium and potassium adducts of the two compounds (sucrose and glucose) were found at m / z 203 and 219 (glucose) and m / z 365 and 381 (sucrose). No signals were found for the m / z values for lysine and alanine, which are only formed during cultivation. An example of a MALDI spectrum at the end of cultivation after 40 hours is shown in FIG. 3c for the growth on mineral medium with a Concentration of initially 18 g / 1 glucose is shown. The glucose signal has disappeared. The two main products of the alanine and lysine strains can be clearly detected. Particularly high 'signals resulting from lysine, as its essential ions, the ions [M + H] + at m / z 147 [M + Na] + at m / z' shows 169 and [M + K] + at m / z 185 , Alanine was determined to be [M + H] + at m / z 90.
Die Figuren 4a und 4b zeigen das Profil nach 30 Stunden Kultivierung von C. glutamicum ATCC 21253 in PMB Medium mit Glucose (Figur 4a) und Melasse (Figur 4b) . Glucose, Lysin und Alanin wurden wie oben beschrieben mit MALDI-TOF-MS und internem Standard und Messung des Zellwachstums als optische Dichte bei PD660 nm quantifiziert. Die Standardabweichung der Messungen (5*50 Schüsse) wird in den Figuren wiedergegeben. Figur 5A bis 5D gibt den Vergleich der MALDI-TOF-MS Quantifizierung von Lysin, Alanin und Glucose mit den Ergebnissen konventioneller analytischer Techniken wie HPLC (Lysin, Alanin) und enzymatischer Bestimmung (Glucose) wieder. Dieser Vergleich ergibt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen der MALDI-TOF-MS und den konventionellen Methoden über den gesamten Verlauf der Fermentation wieder. Der Regressionskoefizient war in allen Fällen nahe 1. Besonders bei höheren Konzentrationen über 1 mM waren die Standardabweichungen bei der MALDI-TOF-MS-Messung kleiner als 5 %.Figures 4a and 4b show the profile after 30 hours of cultivation of C. glutamicum ATCC 21253 in PMB medium with glucose (Figure 4a) and molasses (Figure 4b). Glucose, lysine and alanine were quantified as described above with MALDI-TOF-MS and internal standard and measurement of cell growth as optical density at PD6 60 nm . The standard deviation of the measurements (5 * 50 shots) is shown in the figures. FIGS. 5A to 5D show the comparison of the MALDI-TOF-MS quantification of lysine, alanine and glucose with the results of conventional analytical techniques such as HPLC (lysine, alanine) and enzymatic determination (glucose). This comparison shows an excellent agreement between the MALDI-TOF-MS and the conventional methods over the entire course of the fermentation. The regression coefficient was close to 1 in all cases. Especially at higher concentrations above 1 mM, the standard deviations in the MALDI-TOF-MS measurement were less than 5%.
Der Stamm scheidet in beiden Medien Lysin aus und wächst in beiden Medien zunächst expotentiell . Mit dem Verbrauch der essentiellen Aminosäuren Methionin, Threonin und Isoleucin im Medium (Daten nicht gezeigt) , stoppt das Wachstum und die Lysin- Produktion beginnt. Die Kinetik und die Stöchiometrie der beiden Kultivierungen waren signifikant unterschiedlich. 9,5 mM Lysin und 1,1 mM Alanin wurden auf definiertem Medium gebildet, auf Melasse-Medium wurden nur 3,5 mM Lysin und 1.0 mM Alanin gebildet . Das Gegenteil war der Fall für die Produktion der Biomasse. Mit 4,3 g/1 Biomasse wurden auf Mineralmedium 22 % weniger Biomasse gebildet als auf Melassemedium (5,5 g/1). C. glutamicum kann auf Melassemedium ohne die Aminosäuren Threonin, Methionin und Leucin bis zu einer Biomasse von 1,2 g/1 wachsen.The strain excretes lysine in both media and initially grows exponentially in both media. With the consumption of the essential amino acids methionine, threonine and isoleucine in the medium (data not shown), the growth stops and the lysine production begins. The kinetics and stoichiometry of the two cultures were significantly different. 9.5 mM lysine and 1.1 mM alanine were formed on defined medium, only 3.5 mM lysine and 1.0 mM alanine were formed on molasses medium. The opposite was the case for the production of the biomass. With 4.3 g / 1 biomass, 22% less biomass was formed on mineral medium than on molasses medium (5.5 g / 1). C. glutamicum can grow on molasses medium without the amino acids threonine, methionine and leucine up to a biomass of 1.2 g / 1.
Die gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen mit konventionellen Methoden und MALDI-TOF-MS zeigen die Möglichkeit der Anwendung dieser Methode für die Bioflux-Analyse von Organismen. Dabei hat die MALDI-TOF-MS-Methode eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Verfahren wie beispielsweise die schnellere Analysenzeit, die gleichzeitige Analyse sehr unterschiedlicher Verbindungen wie Aminosäuren und Zucker, die Möglichkeit einer Analyse mit sehr kleinen Probenmengen bzw. Volumina.The good agreement between the results with conventional methods and MALDI-TOF-MS shows the possibility of using this method for the bioflux analysis of organisms. The MALDI-TOF-MS method has a number of advantages over conventional methods such as the faster analysis time, the simultaneous analysis of very different compounds such as amino acids and sugars Possibility of analysis with very small sample quantities or volumes.
Beispiel 4 :Example 4:
13C-Tracerexperimente mit Messung der Markierungsmuster von Stoffwechselprodukten durch MALDI-TOF-MS und stöchiometrischer Bilanzierung zur Bioflux-Analyse des Stoffwechsels von Coryne- bacteri m glutamicum ATCC 21253 in Batch-Kultivierung. 13 C-tracer experiments with measurement of the labeling patterns of metabolic products by MALDI-TOF-MS and stoichiometric balancing for bioflux analysis of the metabolism of Corynebacteri m glutamicum ATCC 21253 in batch cultivation.
Das folgende Beispiel zeigt die Bestimmung von Biofluxparametern des Stoffwechsels des Lysin-produzierenden Mikroorganismus Corynebacterium glutamicum ATCC 21253.The following example shows the determination of bioflux parameters of the metabolism of the lysine-producing microorganism Corynebacterium glutamicum ATCC 21253.
Definition einzelner im Beispiel verwendeter Begriffe zur 13C- Markierung von StoffenDefinition of individual terms used in the example for 13 C marking of substances
Durch unterschiedliche Anzahl und Positionen von 13C-Atomen in einer Substanz ergeben sich verschiedene Positionsisotopomere. Eine Substanz mit n Kohlenstoffatomen besitzt demnach 2n verschiedene Positionsisotopomere. Positionsisotopomere gleicher Masse, die also eine identische Anzahl an 13C-Atomen aufweisen, deren genaue Position im Molekül jedoch verschieden sein kann, bilden Gruppen von Massenisotopomeren. Die Anteile einzelner Gruppen von Massenisotopomeren können mit Massenspektrometrie gemessen werden. Es ergibt sich dabei ein charakteristisches Massenspektrum mit einzelnen Peaks, die verschieden schwere Massenisotopomergruppen widerspiegeln. Die relative Häufigkeit zweier Massenisotopomerengruppen der Massen mi und m zueinander bezeichnet man als Intensitätsverhältnis Imι/m2 • Intensitätsverhältnisse können durch Vergleich von Peakhöhen oder Peak- flächen der entsprechenden Massenisotopomergruppen bestimmt werden.Different position isotopomers result from different numbers and positions of 13 carbon atoms in a substance. A substance with n carbon atoms therefore has 2 n different position isotopomers. Positional isotopomers of the same mass, which therefore have an identical number of 13 carbon atoms, but the exact position of which in the molecule can be different, form groups of mass isotopomers. The proportions of individual groups of mass isotopomers can be measured using mass spectrometry. The result is a characteristic mass spectrum with individual peaks that reflect different mass isotopomer groups. The relative frequency of two mass isotopomer groups of masses mi and m to one another is referred to as the intensity ratio I m ι / m2. Intensity ratios can be determined by comparing peak heights or peak areas of the corresponding mass isotopomer groups.
Die Kultivierung und Analytik erfolgte, wie in den vorangegangenen Beispielen beschrieben.The cultivation and analysis was carried out as described in the previous examples.
Ergänzung zur Kultivierung: Als Substrat wurde 13C-markierte Glucose eingesetzt, wobei zwei parallele Ansätze durchgeführt wurden. Im einen Ansatz wurde als Substrat 99% l-13C-GlucoseComplement to the cultivation: 13 C-labeled glucose was used as the substrate, two parallel batches being carried out. In an approach 99% as the substrate was L-13 C-glucose
(Euriso-top, Gif-sur-Yvette, Frankreich) eingesetzt. Im anderen Ansatz wurde als Substrat ein Gemisch von natürlich markierter Glucose (Sigma, St. Louis, USA) zu 99 % U-13C-Glucose (Euriso-top, Gif-sur-Yvette, Frankreich) im molaren Verhältnis 37,5 : 62,5 eingesetzt. Proben, die nach etwa 17 Stunden Kultivierungszeit gegen Ende der Lysinproduktionsphase gezogen wurden, wurden anschließend mit MALDI-TOF-MS auf die Markierungsmuster der gebildeten Produkte Lysin, Acetat und Trehalose analysiert.(Euriso-top, Gif-sur-Yvette, France). In the other approach, a mixture of naturally labeled glucose (Sigma, St. Louis, USA) and 99% U- 13 C-glucose (Euriso-top, Gif-sur-Yvette, France) in a molar ratio of 37.5 was used as the substrate: 62.5 used. Samples were drawn after about 17 hours of cultivation time towards the end of the lysine production phase then analyzed with MALDI-TOF-MS for the marking patterns of the products formed lysine, acetate and trehalose.
Gegenüber der unter den Beispielen allgemein beschriebenen MALDI- Analytik wurden folgende Änderungen' vorgenommen: Pro Probe wurden die Signale von 100 x 5 Schüssen aufsummiert. Mit der Gerätesoftware XMass (Bruker Daltonics, Bremen) wurden für jeden Metaboliten die relativen Peakhöhen der einzelnen Masseniso- topomere bestimmt.The following changes were made to the MALDI analysis generally described in the examples: The signals from 100 x 5 shots were added up per sample. With the device software XMass (Bruker Daltonics, Bremen), the relative peak heights of the individual mass iso-topomers were determined for each metabolite.
Ergebnisse :Results :
Kultivierungsverlauf der Batch-Fermentation von C. glutamicum ATCC 21253Cultivation course of the batch fermentation of C. glutamicum ATCC 21253
Nach etwa 7 Stunden Kultivierung begann mit dem Verbrauch der essentiellen Aminosäuren Threonin, Leucine und Methionin die Bildung von Lysin und verschiedenen Nebenprodukten wie Alanin, Valin, Acetat, Lactat, Pyruvat und Trehalose. Aus den gemessenen Konzentrationen von Substrat, Produkten und Biomasse nach 7 und 17 Stunden Kultivierungsdauer wurden Bildungs- und Verbrauchsraten für den Zeitraum der Lysinbildung bestimmt. Daraus wurden auf das Substrat bezogene Ausbeutekoeffizienten (in mmol/mmol Glucose) errechnet. Der Bedarf einzelner Intermediärmetabolite für die Biomassesynthese wurde über den experimentell bestimmten Biomasse-Yield (in g Biotrockenmasse/mmol Glucose) sowie Daten zur Biomassezusammensetzung von C. srlutamicum (Marx, A. , de Graaf, A.A., Wiechert, W. , Eggeling, L und Sahm, H. , 1996, Bio- technology & Bioengineering, 49: 111-129) ermittelt. Tabellen 1 und 2 zeigen die Mittelwerte aus den parallel durchgeführten Tracerexperimenten. Das Hauptprodukt Lysin wird mit einem Yield von 0.225 mol/mol gebildet. Daneben produziert der Stamm eine Reihe von Nebenprodukten mit geringeren Anteilen.After about 7 hours of cultivation, the consumption of the essential amino acids threonine, leucine and methionine led to the formation of lysine and various by-products such as alanine, valine, acetate, lactate, pyruvate and trehalose. Formation and consumption rates for the period of lysine formation were determined from the measured concentrations of substrate, products and biomass after 7 and 17 hours of cultivation. From this, yield coefficients related to the substrate (in mmol / mmol glucose) were calculated. The need for individual intermediate metabolites for biomass synthesis was determined using the experimentally determined biomass yield (in g of dry biomass / mmol glucose) and data on the biomass composition of C. srlutamicum (Marx, A., de Graaf, AA, Wiechert, W., Eggeling, L and Sahm, H., 1996, Bio-technology & Bioengineering, 49: 111-129). Tables 1 and 2 show the mean values from the tracer experiments carried out in parallel. The main product lysine is formed with a yield of 0.225 mol / mol. The strain also produces a number of by-products with lower proportions.
Bestimmung der Markierungsmuster von Metaboliten mit MALDI-TOF-MSDetermination of the labeling pattern of metabolites with MALDI-TOF-MS
Optimale Signale erhielt man für die Messung der Markierungsmuster von Trehalose und Lysin mit 2, 5-Dihydroxybenzoesäure als Matrix. Fig. 6 zeigt ein MALDI-TOF-MS-Spektrum von Lysin aus dem Tracerexperiment mit einem Gemisch aus U-13C-Glucose und natürlich markierter Glucose (37.5:62.5), welches als [M+H] +-Addukt mit 2,5-DHB als Matrix im positiven Reflektormode aufgenommen wurde. Man erkennt deutlich die verschiedenen gebildeten Massenisoto- pomere wie zum Beispiel die der Massen 147 (m) , 148 (m+1) , 149 (m+2) oder 150 (m+3). Fig. 7. zeigt ein MALDI-TOF-MS-Spektrum von Acetat aus einem Tracerexperiment mit 99 % l-13C-Glucose aus dem negativen .Reflektormode mit 2,5-DHB als Matrix. Für beide Messun- gen wurde Fementationsbrühe aus 17 h Batch-Kultur von C.glutamicum ATCC21253 genommen. Neben dem Hauptpeak des nicht markierten Acetats bei der Masseladungszahl m/z 59 als [M-H]~-Addukt, sind die anderen gebildeten Massenisotopomere m+1 (m/z 60) und m+2 (m/z 61) zu erkennen. Die Intensitätsverhältnisse wurden den durch Vergleich der jeweiligen Peakhöhen mit der Bruker-Software XMass ermittelt. Folgende Intensitätsverhältnisse wurden für Me- tabolite mit l-13C-Glucose als Tracersubstrat bestimmt: Im+i/m, Lysin = 1.113 und Im+ι/m+ , Trehalose = 0.422 (siehe Tab. 3). Für das Gemisch aus U12/U13C-Glucose wurden die IntensitätsverhältnisseOptimal signals were obtained for the measurement of the labeling patterns of trehalose and lysine with 2, 5-dihydroxybenzoic acid as a matrix. 6 shows a MALDI-TOF-MS spectrum of lysine from the tracer experiment with a mixture of U- 13 C-glucose and naturally labeled glucose (37.5: 62.5), which as [M + H] + adduct with 2, 5-DHB was recorded as a matrix in positive reflector mode. The various mass iso-isomers formed can clearly be seen, for example those of the masses 147 (m), 148 (m + 1), 149 (m + 2) or 150 (m + 3). Fig. 7 shows a MALDI-TOF-MS spectrum of acetate from a Tracer experiment with 99% l 13 C-glucose from the negative .Reflektormode with 2,5-DHB as the matrix. For both measurements Fementation broth from 17 h batch culture of C. glutamicum ATCC21253 was taken. In addition to the main peak of the unlabeled acetate at the mass charge number m / z 59 as an [MH] ~ adduct, the other mass isotopomers m + 1 (m / z 60) and m + 2 (m / z 61) formed can be recognized. The intensity ratios were determined by comparing the respective peak heights with the Bruker software XMass. The following intensity ratios were used for metal METABOLITES with l 13 C-glucose determined as a tracer substrate: I m + i / m, lysine = 1.113 and I m + ι / m +, trehalose = 0.422 (see Tab. 3). The intensity ratios were for the mixture of U 12 / U 13 C-glucose
Im+l/m. Lysin = 0.89, Im+2/m+l, Lysin = 1-28, Im+l/ , Acetat = 0.120 und lm+ι/m,+2 Acetat = 0.211 gemessen. Die Fehler der jeweiligen Messungen lagen zumeist im Bereich von 5 - 10 %. Diese Intensitätsverhältnisse wurden für die Bioflux-Berechnung herangezogen.In the + l / m . Lysine = 0.89, I m + 2 / m + l, lysine = 1-28, I m + l /, acetate = 0.120 and l m + ι / m, +2 Ace ta t = 0.211 measured. The errors of the respective measurements were mostly in the range of 5 - 10%. These intensity ratios were used for the bioflux calculation.
Bioflux-BerechnungBIOFLUX calculation
Mit Hilfe eines Modells des zentralen Metabolismus vonUsing a model of the central metabolism of
C. g-lutamicum in der Software Matlab/Simulink (Wittmann und Heinzle, 1999, Biotechnology & Bioengineering: 62: 739-750; Wittmann und Heinzle, Abstract, 9th European Congreß von Biotechnology, Brüssel, Belgien, Juli 1999) wurde die intrazelluläre Flußverteilung aus den experimentell bestimmten Markierungsmustern der Metabolite sowie den stöchiometrischen Daten der Kultivierungen (siehe Tab. 1 und Tab. 2) berechnet. Als Ausnahme wurde aus den stöchiometrischen Daten der experimentelle Yield vo Lysin nicht berücksichtigt. Vielmehr wurde der aus der Bioflux-Analyse bestimmte Lysin-Yield mit dem experimentellen Wert verglichen, um die Konsistenz der Daten zu überprüfen.C. g-lutamicum in the software Matlab / Simulink (Wittmann and Heinzle, 1999, Biotechnology & Bioengineering 62: 739-750; Wittmann and Heinzle, Abstract, 9 th European Congress of Biotechnology, Brussels, Belgium, July 1999) was the intracellular flow distribution calculated from the experimentally determined labeling patterns of the metabolites and the stoichiometric data of the cultivations (see Tab. 1 and Tab. 2). As an exception, the experimental yield of lysine was not taken into account from the stoichiometric data. Rather, the lysine yield determined from the bioflux analysis was compared with the experimental value in order to check the consistency of the data.
Die gemessenen Intensitätsverhältnisse lassen sich zur Bestimmung verschiedener Flußparameter heranziehen. Dies ergaben Simulationen des Stoffwechsels von C. glutamicum, die zuvor mit einem in Matlab/Simulink entwickelten Modell durchgeführt worden waren. Eine Übersicht der Ergebnisse ist in Tab. 3 dargestellt. Mit l-13C-Glucose als Tracersubstrat lassen sich aus dem Intensitätsverhältnis Im+im von Lysin das VerzweigungsVerhältnis zwischen Glycolyse und Pentosephosphat-Weg (Φppp) und aus dem Intensitätsverhältnis Im+2/m+l on Trehalose die Reversibilität von Glucose- 6-phosphat-Isomerase (ζQi) bestimmen. Mit einem Gemisch aus natürlich markierter und U-13C-Glucose als Tracersubstrat lassen sich aus dem Intensitätsverhältnis Im+ι/m von Lysin das Verzweigungsverhältnis zwischen Carboxylierung von Pyruvat/Phospho- enolpyruvat sowie dem Einschleusen von Pyruvat in den Citrat- Zyklus, (Φpyc) . aus dem Intensitätsverhältnis Im+2/m+ι von Lysin das Verzweigungsverhältnis zwischen Succinylase und Dehydrogenase -Weg in der Lysinbiosynthese, und aus dem Intensitätsverhältnis Im+l/m von Acetat oder Alanin oder anderen aus Pyruvat gebildeten Metaboliten der Austauschfluß zwischen Pyruvat/Phosphoenolpyruvat und Oxalacetat (ζpc/PEPCκ) bestimmen.The measured intensity ratios can be used to determine various flow parameters. This resulted in simulations of the metabolism of C. glutamicum, which had previously been carried out with a model developed in Matlab / Simulink. An overview of the results is shown in Tab. 3. Using l- 13 C-glucose as a tracer substrate, the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway (Φppp) can be determined from the intensity ratio I m + i m of lysine and the reversibility of glucose from the intensity ratio I m + 2 / m + l on trehalose. Determine 6-phosphate isomerase (ζQi). With a mixture of naturally labeled and U- 13 C-glucose as a tracer substrate, the branching ratio between carboxylation of pyruvate / phosphoenol pyruvate and the introduction of pyruvate into the citrate cycle can be determined from the intensity ratio I m + ι / m of lysine, (Φpyc ). the branching ratio between succinylase and dehydrogenase path in the lysine biosynthesis from the intensity ratio I m + 2 / m + ι of lysine, and from the intensity ratio Determine the exchange flow between pyruvate / phosphoenolpyruvate and oxaloacetate (ζpc / PEPCκ) in the + l / m of acetate or alanine or other metabolites formed from pyruvate.
Die jeweiligen Parameteranpassungen wurden mit einem Gradient- solver der Software Matlab (fmincon) durchgeführt, in verschiedenen Anpassungen wurden dabei die Startwerte der Parameter variiert, um das Auffinden totaler Mini a zu ermöglichen. In allen Fällen konvergierte der Algorithmus zu den gleichen End- werten für die zu bestimmenden Parameter. Das Kriterium der Güte der Anpassung war in allen Fällen die Summe der Quadrate der Abweichung zwischen Modellresultaten und experimentellen Resultaten (least Square) .The respective parameter adjustments were carried out using a gradient solver from the Matlab software (fmincon). The starting values of the parameters were varied in various adaptations to enable total Mini a to be found. In all cases, the algorithm converged to the same end values for the parameters to be determined. The criterion of the goodness of fit in all cases was the sum of the squares of the deviation between model results and experimental results (least square).
In allen Anpassungen wurden die stöchiometrischen Daten in Tab. 1 und Tab. 2 berücksichtigt. Folgende Flußparameter wurden nicht bestimmt und Literaturdaten, die Tracer- Experimente von C. glutamicum in kontinuierlicher Kultur mit NMR beschreiben, entnommen: Reversibilität der Transketolase I (ζtki = 2,50), Reversibilität der Transketolase II (ζtk2 = 0,50), Reversibilität der Transaldolase (ζta = 1,00).The stoichiometric data in Tab. 1 and Tab. 2 were taken into account in all adjustments. The following flow parameters were not determined and literature data describing tracer experiments of C. glutamicum in continuous culture with NMR were taken: reversibility of transketolase I (ζ tk i = 2.50), reversibility of transketolase II (ζ tk2 = 0.50 ), Reversibility of the transaldolase (ζ ta = 1.00).
Die Berechnung der Flüsse aus den experimentellen Daten erfolgte folgendermaßen: Es wurden zunächst für das Tracerexperiment mit l-13C-Glucose aus dem Intensitätsverhältnis Im+l/m von Lysin das Verzweigungsverhältnis zwischen Glycolyse und Pentosephosphat-Weg (ΦPPP) und aus dem Intensitätsverhältnis Im+2/m+ι ~^on Trehalose die Reversibilität von Glucose-6-phophat-Isomerase (ζpσi) ermittelt. Die beiden Flußparameter wurden dann an die nächste Parameter- bestimmung übergeben, die für das Experiment mit dem Gemisch aus natürlich markierter und U-13C-Glucose als Tracersubstrat aus dem Intensitätsverhältnis Im+ι/m von Lysin das Verzweigungsverhältnis zwischen Carboxylierung von Pyruvat/Phosphoenolpyruvat und dem Einschleusen von Pyruvat in den Citrat-Zyklus , (Φpyc) . und aus dem Intensitätsverhältnis I+2/m+ι von Lysin das Verzweigungsverhältnis zwischen Succinylase und Dehydrogenase-Weg in der Lysinbio- synthese berechnete. Die Ergebnisse wurden dann in einer dritten Schleife übernommen und für die Bestimmung des Austauschflusses zwischen Pyruvat/Phosphoenolpyruvat und Oxalacetat (ζpc/pEPCκ) aus Im+l von Acetat und Im+ι/m+2 von Acetat verwendet. Die drei Parameteranpassungen wurden solange hintereinander durchlaufen, bis keine signifikante Änderung der Ergebnisse mehr zu beobachten war . Dies war nach 3 Durchläufen erreicht . Fig. 8 zeigt die resultierende Flußkarte für die Phase der Lysin- bildung. Folgende interessante Schlußfolgerungen für Batch-Kultur zwischen 7 und 17 h Kultivierungsdauer von C. glutamicum ATCC21253 lassen sich unter anderem aus den Daten ziehen:The flows were calculated from the experimental data as follows: For the tracer experiment with l- 13 C-glucose, the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway (Φ PPP ) and from the intensity ratio I m + l / m of lysine were first determined Intensity ratio I m + 2 / m + ι ~ ^ on trehalose determined the reversibility of glucose-6-phosphate isomerase (ζpσi). The two flow parameters were then passed to the next parameter determination, the branching ratio between carboxylation of pyruvate / phosphoenolpyruvate for the experiment with the mixture of naturally labeled and U- 13 C-glucose as the tracer substrate from the intensity ratio I m + ι / m of lysine and the introduction of pyruvate into the citrate cycle, (Φpyc). and calculated from the intensity ratio I + 2 / m + ι of lysine the branching ratio between succinylase and dehydrogenase pathway in lysine biosynthesis. The results were then adopted in a third loop and used to determine the exchange flow between pyruvate / phosphoenolpyruvate and oxaloacetate ((pc / p EPC κ) from I m + l of acetate and I m + ι / m + 2 of acetate. The three parameter adjustments were carried out in succession until no significant change in the results could be observed. This was achieved after 3 runs. 8 shows the resulting flow map for the phase of lysine formation. The following interesting conclusions for batch culture between 7 and 17 h cultivation time of C. glutamicum ATCC21253 can be drawn from the data:
(1) Der relativ hohe Fluß in den Pentosephosphat-Weg (Φppp = 0.69) stellt ausreichend NADPH für die Lysinsynthese zur Verfügung.(1) The relatively high flow in the pentose phosphate pathway (Φppp = 0.69) provides sufficient NADPH for lysine synthesis.
(2) Beide alternativen Stoffwechselwege in der Lysinbiosynthese sind aktiv.(2) Both alternative metabolic pathways in lysine biosynthesis are active.
(3) Es resultiert ein signifikanter Rückfluß von Oxalacetat zu den Pools von Pyruvat/Phosphoenolpyruvat. Der dadurch ablaufende "futile cycle" könnte zum Abbau von überschüssigem ATP genutzt werden.(3) There is significant reflux of oxaloacetate to the pyruvate / phosphoenolpyruvate pools. The resulting "futile cycle" could be used to break down excess ATP.
(4) Der Citratcyclus läuft mit hoher Aktivität ab, offensichtlich wird eine hohe Menge an Energieäquivalenten erzeugt, die aufgrund des zum Erliegen kommenden Wachstums während der(4) The citrate cycle runs with high activity, obviously a high amount of energy equivalents is generated, which due to the stopping growth during the
Lysinbildung unter Umständen über den "futile cycle" zwischen Oxalacetat und Pyruvat/Phosphoenolpyruvat verbraucht werden.Lysine formation may be consumed via the "futile cycle" between oxaloacetate and pyruvate / phosphoenolpyruvate.
(5) Das Enzym Glucose-6-phosphat-Isomerase ist stark reversibel.(5) The enzyme glucose-6-phosphate isomerase is highly reversible.
Der über die Bioflux-Analyse bestimmte Lysin-Yield von 0.202 mol/ ol zeigt exzellente Übereinstimmung mit dem experimentell gefundenen Wert von 0.224 mol/mol. Dies unterstreicht die Konsistenz der Daten.The lysine yield of 0.202 mol / ol determined via the bioflux analysis shows excellent agreement with the experimentally found value of 0.224 mol / mol. This underlines the consistency of the data.
Zusammenfassung von Beispiel 4Summary of example 4
Mit der vorliegenden Methode läßt aus wenigen gezielten Analysen von Intensitätsverhältnissen von Metaboliten in Tracer- experimenten der Zentralstoffwechsel des Lysinproduzenten Coryne- bacterium glutamicum nahezu vollständig quantifizieren. Insbesondere die Schlüsselparameter der Lysinbildung wie Verzweigungsverhältnis zwischen Glycolyse und Pentosephosphat-Weg (ΦPPP) , Reversibilität von Glucose-6-phophat-Isomerase (ζpσi) dem Verzweigungsverhältnis zwischen Carboxylierung von Pyruvat/ Phosphoenolpyruvat und dem Einschleusen von Pyruvat in den Citrat-Zyklus , (Φpyc) . Verzweigungsverhältnis zwischen Succinylase und Dehydrogenase-Weg in der Lysinbiosynthese sowie Austauschflüsse zwischen Pyruvat/Phosphoenolpyruvat und Oxalacetat (CPC/PEPCK) können mit der entwickelten Methode bestimmt werden, was für die Charakterisierung und Stammverbesserung von Lysin- produzierβnden Bakterien essentiell ist. Tab. 1: Ausbeutekoeffizienten für Biomasse (in g/ mmol Glc) und verschiedene Produkte in (in mol/mol) in Batch- Kultivierungen von C. glutamicum ATCC 21253 während der Lysinbildung.With the present method, the central metabolism of the lysine producer Corynebacterium glutamicum can be almost completely quantified from a few targeted analyzes of intensity ratios of metabolites in tracer experiments. In particular, the key parameters of lysine formation such as the branching ratio between glycolysis and the pentose phosphate pathway (ΦP P P), reversibility of glucose-6-phosphate isomerase (ζpσi), the branching ratio between carboxylation of pyruvate / phosphoenolpyruvate and the introduction of pyruvate into the citrate cycle (Φpyc). The developed method can be used to determine the branching ratio between succinylase and dehydrogenase path in lysine biosynthesis and exchange flows between pyruvate / phosphoenolpyruvate and oxaloacetate (C PC / P E PCK ), which is essential for the characterization and strain improvement of lysine-producing bacteria. Tab. 1: Yield coefficients for biomass (in g / mmol Glc) and various products in (in mol / mol) in batch cultivations of C. glutamicum ATCC 21253 during lysine formation.
Tab. 2: Precursor-Bedarf für die Biomassesynthese in Batch- Kultivierungen von C. glutamicum ATCC 21253 während der Lysinbildung.Tab. 2: Precursor requirement for biomass synthesis in batch cultivations of C. glutamicum ATCC 21253 during the formation of lysine.
Precursor für BTM Verbrauch (mol/mol Glucose)Precursor for BTM consumption (mol / mol glucose)
Glucose-6-phosphat 0,012Glucose-6-phosphate 0.012
Fructose-6-phosphat 0,004Fructose 6-phosphate 0.004
Ribose-5-phosphat 0,053Ribose 5-phosphate 0.053
Phosphoglycerat 0.077Phosphoglycerate 0.077
Erythrose-4-phosphat 0,016Erythrose-4-phosphate 0.016
Phosphoenolpyruvat 0,032Phosphoenolpyruvate 0.032
Pyruvat 0,108Pyruvate 0.108
Glycerinaldehyd-3-phosphat 0,077 a-Ketoglutarat 0,102Glyceraldehyde-3-phosphate 0.077 a-ketoglutarate 0.102
Oxalacetat 0,075Oxaloacetate 0.075
Acetyl-CoA 0,150 Tab . 3 : Experimentelles Design zur Bioflux-Analyse Schlüsselparametern des Stoffwechsels von C. glutamicum: Geeignete Auswahl von Tracersubstrat und gemessenem Intensitätsverhältnis .Acetyl-CoA 0.150 Tab. 3: Experimental design for bioflux analysis. Key parameters of the metabolism of C. glutamicum: suitable selection of tracer substrate and measured intensity ratio.
1,1131,113
0,422 0.422
•m+1/m, lysine ΦpγC 0,89• m + 1 / m, lysine Φpγ C 0.89
'm+2/m+1 , lysine ΦDH 1,28'm + 2 / m + 1, lysine ΦDH 1.28
'm+1/m, acetate PC/PEPCK 0,120 'm + 1 / m, acetate PC / PEPCK 0.120
Beispiel 5 :Example 5:
Screening nach metabolischen Aktivitäten in Mikrotiterplatten - 13C-Tracerexperimente mit Messung der Markierungsmuster von Stoffwechselprodukten durch MALDI-TOF-MS zur Bioflux-Analyse von verschiedenen Lysin-produzierenden Mikroorganismen.Screening for metabolic activities in microtiter plates - 13 C-tracer experiments with measurement of the labeling pattern of metabolic products by MALDI-TOF-MS for bioflux analysis of various lysine-producing microorganisms.
Das folgende Beispiel zeigt das Screening nach metabolischen Aktivitäten in Mikrotiterplatten mit MALDI-TOF-MS am Beispiel der Bestimmung des Verzweigungsverhältnisses zwischen Glycolyse und Pentosephosphat-Weg für 4 verschiedene Lysin-produzierende Mikroorganismen.The following example shows the screening for metabolic activities in microtiter plates with MALDI-TOF-MS using the example of determining the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway for 4 different lysine-producing microorganisms.
Mikroorganismenmicroorganisms
Als Stämme wurden die Lysin-produzierenden Mikroorganismen Brevi- bacterium flavυm NRRL 11478, Corynebacterium glutamicum ATCC 21253, Corynebacterium glutamicum ATCC 21526 und Corynebacterium glutamicum ATCC 21544 verwendet.The lysine-producing microorganisms Brevibacterium flavum NRRL 11478, Corynebacterium glutamicum ATCC 21253, Corynebacterium glutamicum ATCC 21526 and Corynebacterium glutamicum ATCC 21544 were used as strains.
Die Kultivierung erfolgte, wie in den vorherigen Beispielen beschrieben, wobei folgende Ergänzungen und Abweichungen vorgenommen wurden: Die Kultivierung der Organismen erfolgte in Mikrotiterplatten, die in einem Reader (Fluoroscan Ascent FL, Labsystems, Finnland) über 24 Stunden bei 30 °C inkubiert wurden. Inokulum und Medium wurden direkt vor dem Versuch gemischt und mit einer Pipette in die Mikrotiterplatte eingefüllt. Als Kohlenstoff uelle wurde 99 % l-13C-Glucose (Euriso-top, Gif-sur-Yvette, Frankreich) eingesetzt . Es wurden die in der Plattenmitte liegenden Wells zur Kultivierung verwendet. Nicht benutzte Wells der Platten am Außenrand wurden mit Wasser gefüllt, um die Luftfeuchtigkeit im Reader zu erhöhen. Die Platten wurde während der Inkubation ständig geschüttelt (Orbitalschüttler, Schüttelgeschwindigkeit 1020 rpm, Schütteldurchmesser 1 mm) . Das Kultivierungsvolumen betrug zu Beginn jeweils 200 μl, und nahm durch Verdunstung unter Versuchsbedingungen etwa 2 % pro Stunde ab. Zum Vergleich wurden Parallelexperimente in 25 ml Schüttelkolben mit Schikanen und 5 ml PMB-Medium durchgeführt, die bei 150 rpm und 30°C inkubiert wurden .The cultivation was carried out as described in the previous examples, the following additions and deviations being made: The organisms were cultivated in microtiter plates, which were incubated in a reader (Fluoroscan Ascent FL, Labsystems, Finland) for 24 hours at 30 ° C. The inoculum and medium were mixed immediately before the experiment and filled into the microtiter plate with a pipette. Ual as carbon was 99% l- 13 C-glucose (Euriso-top, Gif-sur-Yvette, France) were used. The wells in the middle of the plate were used for cultivation. Unused wells of the plates on the outer edge were filled with water to increase the humidity in the reader. The plates were shaken continuously during the incubation (orbital shaker, shaking speed 1020 rpm, shaking diameter 1 mm). The cultivation volume was 200 μl at the beginning, and decreased by evaporation under test conditions about 2% per hour. For comparison, parallel experiments were carried out in 25 ml shake flasks with baffles and 5 ml PMB medium, which were incubated at 150 rpm and 30 ° C.
Nach 24 Stunden wurden die Inkubationen beendet, es wurden je- weils 50 μl Probe aus den Wells und den Schüttelkolben entnommen und mit MALDI-TOF-MS auf das Markierungsmuster des gebildeten Ly- sins untersucht .The incubations were terminated after 24 hours, 50 μl samples were taken from the wells and the shaking flasks and examined for the labeling pattern of the lysine formed with MALDI-TOF-MS.
Analytikanalytics
Mit MALDI-TOF-MS wurde das Intensitätsverhältnis Im+ι/m von Lysin aus 1:5 mit deionisiertem Wasser verdünnten Proben gemessen. Die Vorgehensweise war analog dem Beispiel zur Lysin-Markierungsmes- sung im Beispiel Bioflux-Analyse.The intensity ratio I m + ι / m of lysine was measured with MALDI-TOF-MS from samples diluted 1: 5 with deionized water. The procedure was analogous to the example for the lysine marker measurement in the example of bioflux analysis.
Im Unterschied zur vorherig beschriebenen Analytik wurden folgende Änderungen vorgenommen:In contrast to the analytics described above, the following changes have been made:
Es wurden jeweils 30 x 5 shots pro Probe aufsummiert.30 x 5 shots per sample were added up.
Bestimmung der Markierung von Lysin mit MALDI-TOF-MS.Determination of the labeling of lysine with MALDI-TOF-MS.
Optimale Signale erhielt man für die Messung von Lysin mit 2, 5-Dihydroxybenzoesäure als Matrix. Die im einzelnen erhaltenen Meßwerte für die verschiedenen untersuchten Stämme sind in Tab. 4 dargestellt .Optimal signals were obtained for the measurement of lysine with 2, 5-dihydroxybenzoic acid as a matrix. The measured values obtained in detail for the various strains examined are shown in Table 4.
Bioflux-BerechnungBIOFLUX calculation
Mit Hilfe eines Modells des zentralen Metabolismus von C. glutamicum in der Software Matlab/Simulink (Wittmann und Heinzle, 1999, Wittmann und Heinzle, 1999) wurde das Verzweigungsverhält- nis zwischen Glycolyse und Pentosephosphat-Weg aus dem experimentell bestimmten Markierungsmuster von Lysin berechnet. Stöchiome- trische Informationen zur Biomassebildung wurden nicht berücksichtigt. Wie zuvor durchgeführte Simulationen des Stoffwechsels von C. glutamicum mit einem in Matlab/Simulink entwickelten Modell ergaben, läßt sich mit l-13C-Glucose als Tracersubstrat aus dem Intensitätsverhältnis I+ι/m von Lysin das Verzweigungsverhältnis zwischen Glycolyse und Pentosephosphat-Weg (Φppp) bestimmen. Die gute Sensitivität diese Ansatzes resultiert aus der Tat- sache, daß das Ci-Atom der Glucose im Pentosephosphat-Weg als C02 abgespalten wird, während es in der Glycolyse im Kohlenstoffskel- let der Metabolite konserviert beleibt. Steigende Flüsse in den Pentosephosphat-Weg führen somit zu einer zunehmenden Abnahme der Markierung im Lysin.With the help of a model of the central metabolism of C. glutamicum in the software Matlab / Simulink (Wittmann and Heinzle, 1999, Wittmann and Heinzle, 1999), the branching relationship was nis between glycolysis and pentose phosphate pathway calculated from the experimentally determined labeling pattern of lysine. Stoichiometric information on biomass formation was not taken into account. As previously carried out simulations of the metabolism of C. glutamicum using a model developed in Matlab / Simulink, using l- 13 C-glucose as a tracer substrate, the branching ratio between glycolysis and pentose phosphate pathway can be determined from the intensity ratio I + ι / m of lysine ( Φppp) determine. The good sensitivity of this approach results from the fact that the Ci atom of glucose is cleaved off as C0 2 in the pentosephosphate pathway, while it remains preserved in the glycolysis in the carbon skeleton of the metabolites. Rising flows in the pentosephosphate path thus lead to an increasing decrease in the labeling in the lysine.
Die Parameteranpassung wurde mit einem Gradientsolver der Software Matlab (fmincon) durchgeführt, in verschiedenen Anpassungen wurden dabei die Startwerte der Parameter variiert, um das Auffinden totaler Minima zu ermöglichen. Das Kriterium der Güte der Anpassung war in allen Fällen das Quadrat der Abweichung zwischen Modellresultaten und experimentellen Resultaten (least Square) . In allen Fällen konvergierte der Algorithmus zu den gleichen Endwerten für den zu bestimmenden Parameter. In diesem Experiment nicht bestimmte Flußparameter wurden entsprechend eigenen Ergebnissen oder Literaturdaten (siehe Patentbeispiel zur Bioflux-Analyse) entnommen.The parameter adjustment was carried out with a gradient solver from the Matlab software (fmincon). The start values of the parameters were varied in various adaptations to enable total minima to be found. In all cases, the criterion of the goodness of fit was the square of the deviation between model results and experimental results (least square). In all cases, the algorithm converged to the same final values for the parameter to be determined. Flow parameters not determined in this experiment were taken from our own results or literature data (see patent example for Bioflux analysis).
Tab. 4 zeigt die erhaltenen Werte für (Φppp) . Man erkennt, daß in allen Fällen relative hohe Flüsse in den Pentosephosphat-Weg resultieren, so daß eine Limitierung der Lysinbildung durch NADPH unwahrscheinlich ist . Interessanterweise zeigten die verschiedenen untersuchten Lysinproduzenten eine gute Übereinstimmung bezüglich Φppp. Auch zwischen den Experimenten in Mikrotiterplatten und in Schüttelkolben resultierten keine nennens- werten Unterschiede bezüglich Φppp. Weitere Untersuchungen zur Menge des gebildeten Lysins ergaben, daß Stämme NRRL 11478, ATCC 21526 und ATCC 21544 in Schüttelkolben und Mikrotiterplatten- Kultivierung praktisch gleichviel Lysin produzierten (Daten nicht gezeigt) , wohingegen der Stamm ATCC 21253 in der Mikrotiterplatte nach 24 Stunden nur etwa 30 % der Lysinmenge wie im Schüttelkolben produzierte.Tab. 4 shows the values obtained for (Φppp). It can be seen that in all cases relatively high flows result in the pentose phosphate pathway, so that a limitation of the lysine formation by NADPH is unlikely. Interestingly, the various lysine producers examined showed good agreement with Φppp. There were also no significant differences in Φppp between the experiments in microtiter plates and in shake flasks. Further studies on the amount of lysine produced showed that strains NRRL 11478, ATCC 21526 and ATCC 21544 produced practically the same amount of lysine in shake flasks and microtiter plate cultivation (data not shown), whereas the strain ATCC 21253 in the microtiter plate after 24 hours only about 30% the amount of lysine produced in the shake flask.
Zusammenfassung von Beispiel 5Summary of example 5
Mit der vorliegenden Methode lassen sich metabolisσhe Charakterisierungen von Mikroorganismen im Mikromaßstab durchführen, was anhand eines Stammvergleiches von 4 verschiedenen Lysinproduzen- ten demonstriert wurde. Dies wird durch die eingesetzte MALDI- TOF-MS-Analytik erreicht, die nur geringeste Probenmengen von < 1 μl benötigt. Mit gezielten Analysen von Intensitätsverhältnissen von Metaboliten in Tracerexperimenten lassen sich sogar Fluß- Verteilungen im Stoffwechsel quantifizieren. Zudem kann die MALDI-TOF-MS-Analytik für die Konzentrationsbestimmung verwendet werden siehe Beispiel zur Konzentrationsbestimmung aus Fermentationsbrühen von C. glutamicum (Bsp. 3) , was für die Ermittlung von Produktbildungsraten oder Ausbeutekoeffizienten bei Kultivie- rung von Mikroorganismen in Mikrotiterplatten einsetzbar ist. Damit eignet sich die Methode sehr gut für das Screening von Stämmen.With the present method, metabolic characterizations of microorganisms can be carried out on a microscale, which is based on a strain comparison of 4 different lysine products. ten was demonstrated. This is achieved by the MALDI-TOF-MS analysis used, which only requires the smallest sample amounts of <1 μl. With targeted analyzes of the intensity ratios of metabolites in tracer experiments, even flow distributions in the metabolism can be quantified. In addition, the MALDI-TOF-MS analysis can be used for determining the concentration, see example for determining the concentration from fermentation broths of C. glutamicum (Example 3), which can be used to determine product formation rates or yield coefficients for the cultivation of microorganisms in microtiter plates. This makes the method very suitable for screening strains.
Tab. 1: Screening von Lysin-produzierenden Mikroorganismen in Mikrotiterplatten und Schüttelkolben mit l-13C-Glucose als Substrat: Intensitätsverhältnis Im+ι/m von Lysin und relativer Fluß in den Pentosephosphat-WegTab. 1: Screening of lysine-producing microorganisms in microtiter plates and shaking l- 13 C-glucose as substrate: intensity ratio I m + ι / m of lysine and relative flow into the pentose phosphate pathway
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