M a p p i n g M i c r o b i a l M e t a b o l - PowerPoint PPT Presentation

E c o s y s t e ms a n d N e t w o r k s I n t e g r a t e d w i t h G e n e s a n d M o l e c u l a r A s s e mb l i e s M a p p i n g M i c r o b i a l M e t a b o l i s m U s i n g M e t a b o l o mi c s R i c h a r d B a r a n ( N o r t h e n L a b ) L a w r e n c e B e r k e l e y N a t i o n a l L a b o r a t o r y M a r c h 6 , 2 0 1 3

2 M o t i v a t i o n M a n y u n k n o w n s i n mi c r o b i a l me t a b o l i s m a n d i n t e r a c t i o n s w i t h t h e e n v i r o n me n t G a l p e r i n M Y & K o o n i n E V ( 2 0 1 0 ) 2 8 : 3 9 8 - 4 0 6 T r e n d s B i o t e c h n o l B a r a n R ( 2 0 0 9 ) 1 2 : 5 4 7 - 5 5 2 e t a l C u r r O p i n M i c r o b i o l

3 O u t l i n e ● M e t a b o l i t e P r o f i l i n g ? ? ? me t a b o l i t e i d e n t i f i c a t i o n ? ? ? ? ? ? ? ● F o o t p r i n t i n g ? u p t a k e / r e l e a s e o f me t a b o l i t e s ? ● H i g h - t h r o u g h p u t s c r e e n i n g o f mu t a n t l i b r a r i e s f o r e n z y me a n d t r a n s p o r t e r d i s c o v e r y / a n n o t a t i o n

4 M e t a b o l i t e P r o f i l i n g L C - M S C h r o ma t o g r a p h y T I C M a s s s p e c t r u m M u l t i me r s / A d d u c t s ) ) + ) A d d u c t s + + F r a g me n t s ( o r c o e l u t i n g c o mp o u n d s ) 4 H 4 H H ) + + N H N M ) + + + + ( ) a + M M M a N ( 2 2 N + ( ( + M M 2 ( (

5 M e t a b o l i t e I d e n t i f i c a t i o n A u t h e n t i c L C - M S M S / M S s t a n d a r d M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a P u t a t i v e I D I D 5

6 M e t a b o l i t e I d e n t i f i c a t i o n A u t h e n t i c L C - M S M S / M S s t a n d a r d M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a P u t a t i v e I D I D M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a P u t a t i v e I D M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a M a s s s p e c t r u m ( m/ z )

7 M e t a b o l i t e I d e n t i f i c a t i o n A u t h e n t i c L C - M S M S / M S s t a n d a r d M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a P u t a t i v e I D I D M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a P u t a t i v e I D M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) C h e mi c a l f o r mu l a Q u e r y ( d r a f t ) me t a b o l i c n e t w o r k s , M a s s s p e c t r u m ( m/ z ) M i c r o b e s O n l i n e , M e t a C y c , K E G G , . . .

8 P r e d i c t e d v s . M e a s u r e d M e t a b o l i t e s ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? P C C 7 0 0 2 S y n e c h o c o c c u s s p .

9 U n i f o r m S t a b l e I s o t o p e L a b e l i n g C o n t r o l [ 1 5 N ] N a N O 3 1 5 N [ 1 3 C ] N a H C O 3 1 3 C H e g e ma n A D ( 2 0 0 7 ) m 7 9 : 6 9 1 2 - 6 9 2 1 e t a l A n a l C h e G i a v a l i s c o P ( 2 0 0 9 ) m 8 1 : 6 5 4 6 - 6 5 5 1 e t a l A n a l C h e

1 0 B a r a n R e t a l ( 2 0 0 6 ) 7 : 5 3 0 B M C B i o i n f o r ma t i c s B a r a n R e t a l ( 2 0 0 7 ) 8 : 7 2 B M C B i o i n f o r ma t i c s

1 1 M e t a b o l i t e P r o f i l i n g R e s u l t s ● ~ 1 0 0 d i s t i n c t me t a b o l i t e s d e t e c t e d ● 8 2 a s s i g n e d c h e mi c a l f o r mu l a s • 7 4 u n i q u e • 4 5 o u t s i d e o f S y n 7 0 0 2 C y c • 2 4 o u t s i d e o f M e t a C y c o r K E G G ! ● 5 4 i d e n t i f i e d o r p u t a t i v e l y i d e n t i f i e d me t a b o l i t e s • U s i n g a u t h e n t i c s t a n d a r d s o r M S / M S O O N N ( E r g o t h i o n e i n e ? ) O H O H H S N H N H C H C H N N 3 3 H C H C C H C H 3 3 3 3 B a r a n R ( 2 0 1 0 ) m 8 2 ( 2 1 ) : 9 0 3 4 – 9 0 4 2 e t a l A n a l C h e

1 2 M e t a b o l i c F o o t p r i n t i n g ? ? ● G r o w i n g i n d i f f e r e n t c o mp l e x me d i a S y n e c h o c o c c u s ● U n t a r g e t e d p r o f i l i n g o f me t a b o l i t e u p t a k e / r e l e a s e ● P h o t o h e t e r o t r o p h i c r e p e r t o i r e o f c y a n o b a c t e r i a h a s n o t b e e n s t u d i e d s y s t e ma t i c a l l y ● C u r r e n t k n o w l e d g e l i mi t e d t o g l y c e r o l , g l u c o s e , a mi n o a c i d s A l l e n J e t a l ( 2 0 0 3 ) 2 1 , 6 9 2 - 6 9 6 N a t B i o t e c h n o l K e l l D B e t a l ( 2 0 0 5 ) 3 , 5 5 7 - 5 6 5 N a t R e v M i c r o b i o l

1 3 M e t a b o l i c F o o t p r i n t i n g R e s u l t s ● 2 0 2 me t a b o l i t e s d e t e c t e d C o n s u me d o r r e l e a s e d me t a b o l i t e s ● 9 5 i d e n t i f i e d o r p u t a t i v e l y i d e n t i f i e d 2 5 0 ● 4 5 t a k e n u p ● 5 5 r e l e a s e d 8 2 6 5 1 2 ● S P C C y n e c h o c o c c u s s p . 7 0 0 2 u p t a k e s mo s t o f i t s 8 i n t r a c e l l u l a r me t a b o l i t e s – 1 0 i n c l u d i n g t h e u n u s u a l o n e s ! D e t e c t e d i n D e t e c t e d i n Y E o r M E B M S y n e c h o c o c c u s B a r a n R e t a l ( 2 0 1 1 ) 7 , 3 2 0 0 - 3 2 0 6 M o l B i o S y s t

1 4 E n z y me a n d T r a n s p o r t e r D i s c o v e r y 1 . I d e n t i f y u t i l i z e d me t a b o l i t e s C o mp l e x me d i a L C - M S s u b t r a c t U t i l i z e d WT c e l l s me t a b o l i t e s L C - M S S p e n t me d i a . . . .

1 5 E n z y me a n d T r a n s p o r t e r D i s c o v e r y 2 . S c r e e n mu t a n t s f o r d e f e c t s i n u t i l i z a t i o n 1 . I d e n t i f y u t i l i z e d me t a b o l i t e s T a r g e t e d L i b r a r y o f S p e n t me d i a a n a l y z e d C o mp l e x s c r e e n i n g 8 0 4 2 mu t a n t s b y h i g h - t h r o u g h p u t M S me d i a me d i a L C - M S s u b t r a c t + U t i l i z e d WT c e l l s me t a b o l i t e s L C - M S S p e n t me d i a . . . . O D P e a k A r e a P f s