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　　一个被忘记的第四类分子生物学可以是最靠近表型的。几十年来，人们不绝埋头于三个分子：DNA产生RNA，RNA发生蛋白质。现在，许多科学家都起源着重到了另一个组分：代谢产物，它们是由机体内的生化阶梯中的蛋白质所发作的。人们听到了太多对待基因和基因型的音讯，但同样主要的是，人们想要研商基因与情形因子互作时产生了什么，同样也想找到分别强壮与速病的分子表型，这些正是代谢组学的凶残之地。

　　毫无疑难，那些着眼于生命科学的互相元素的编制生物学家想要将代谢组学与基因组干系起来。“没有基因组序列，代谢组学不能真正发扬自身功用，”位于美国加州门洛帕克的异常从事基因组学领会的Pacific Biosciences公司首席科学官Jonas Korlach叙 。“一旦你发现了代谢产物并想将它们步履新抗生素或新阶梯实行体味，就需要基因组新闻来决断出相合的酶并克隆这些基因。”

　　西澳大利亚莫道克大学的辞别科学和代谢组学尝试室主任Robert Trengrove首肯这种办法，纵然代谢组学对体例生物学的影响尚处于起步阶段，但他们们看到了积极的出处，况且闭键在于团队合营。 “在 组学方面全班人们有很特长做讯休学的人，”Trengrove路，“但很有数人能跨多个组学边界，席卷脂类组学和表观遗传学。”

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　　Trengrove的团队已经联关其所有人团队，经验从ICU采集血液样本构修患者的代谢谱。大家途，“资历这种机谋，所有人能够泉源评估各种化关物作为生物暗号物和病人痊可批示物的用途。”为了凿凿知晓发作了什么，生物记号模块必须与蛋白质组学和基因组学关系联，但这项事故才刚刚睁开。

　　假使这样，体例生物学也曾成为了生物学的主旨。古板上，生物学已将机体或细胞解析为各个个别。如今，系统生物学相通接收了亚里士多德的主张“全体大于其组成片面的总和”，并借用蕴涵代谢组学等多个边界的伎俩。用于收拾来自这些界限统称为“大数据”的器材正在展示。

　　总体来说，代谢组学建筑了一个数字挑拨。“代谢组学此刻的用处网罗：在生物样品库中探讨大界限基因组部队，将基因型和具有特定表型的基因组变异相干联，经过监测食品身分或内源性代谢物的营养商量，或为着作病学切磋中的检测需要拯济，”总部位于马萨诸塞州沃尔瑟姆市的赛默飞世尔科技公司蛋白质组和代谢组学个人的营销总监Andreas Huhmer路。这些切磋会发作大批的数据。在人类中也曾开采的7500多种代谢物中，只有2500种直接来自于人体；剩余的则有其他们出处，包括人体消化的食物和药物。

　　从数字上来途，大家无妨可是在开始。正如Huhmer所说，“将来，展望将断定更多的代谢物，卓殊是在对肠道中代谢物以及相关新陈代谢的微生物的了解中延续创造新的希望。”肠途菌群在代谢的描摹中发扬吃紧用意，为研讨与生活妙技和饮食习惯有闭的慢性和急性速病的效用供给了讯歇宝库，比如二型糖尿病和粗壮病。

　　此刻，代谢组学有Metabolomics Workbench和MetaboLights两个数据平台，它们都能给科学家团队供给更多的数据可供融会，使全部人可以在环球范围内共享数据。

　　脂类是代谢组学拼图的另一起十足组成，但至少与DNA，RNA和蛋白质比拟，对这些分子的探求相对较少，是一个一直被冷淡的组学范围。但是，脂类为体例生物学供应了一个有用的东西，缘由“它们是可以被量化的，告诉所有人对待细胞或构造的形态，”位于德国德累斯顿的Lipotype公司首席推行官Kai Simons声明路。

　　该公司的Lipotype Shotgun Lipidomics机谋提供了量化的谋略。这种技巧对悉数萃取液举行质谱融会，而不是先用液相色谱法离别。只用一微升血液，这种伎俩便可达到Simons所谓的“分辨多达2300的脂质的全部量化。”

　　科学家寄送样品到Lipotype公司，它们会在短短两个星期告竣考试。假使需要的话，该公司的软件可向愿望查察数据的商议人员盛开。假使云云，生物学家还须要收罗更多对于各种代谢物的数据，并断定它们的感化。终究上，理会更多代谢产物的功用可以对清楚统统的生物编制产生最大的影响。

　　尽管大家无妨检测任何生物基质中的全面的蛋白质和代谢产物，位于马萨诸塞州米尔福德的Waters 公司矫健科学营销总监Jose Castro-Perez叙途，“全部人也仅晓得此中一小片面的效力。”科学家们需要能告终代谢物检测并同时体会其生物学性能的妙技。这就需要领略和生物消歇学工具来举行联络多种形式组学数据的速病或治疗合连的途径懂得。

　　为此，Waters 公司创办了SONAR软件，这是相助该公司的Xevo G2-XS QToF体系的一种数据搜罗模式，该系统供给了四极杆航行时间质谱（QToF）。SONAR软件可以在单样本注入的数据稀少体认（data independent analysis ，DIA）尝试中，将全豹的前体和碎片离子光谱样品举行归类，使切磋人员得到蛋白质或代谢物的定量和定性新闻。“这种新的DIA搜聚模式比其全班人的DIA机谋更进取，原故它需要了更速和更多选取性的夹杂样品的数据采撷，”Castro-Perez说。“另外，这种新技能可以进步数据库的检索和定量精度的确切性。”Xevo G2-XS QToF编制可以与Waters公司的色谱器械举行诸如用于高通量的超高效液相色谱法的集成。

　　“天分高原料的数据是很首要的，但最后你们需要的是从原始数据中取得故意义并可把握的生物音讯，”Castro-Perez途。为了综关信休、简化数据处置以及管束进程，Waters公司修筑了一款客户机/处事器操纵的Symphony 软件，许可一个或多个数据领略，或管束性能按规律的自愿化。该用具以至不妨在仪器运行后立地启动数据办理，并在没有用户干涉功用的情况下告竣数据统治，这一特征在大规模咨议中口舌常首要的。

　　除了全盘这些生存和数据明白方面的起色，科学家们仍在协商代谢组学上面临的广大阻挡。“在非定向事件过程中的瓶颈之一是剖断未知的化关物，”总部设在德国不莱梅的 Bruker Daltonics 公司代谢组学市场经理Aiko Barsch说。“这是质谱和核磁共振同时具有的优势。”

　　比方，高区分率，精量化（HRAM）质谱能够闪现未知化闭物中的元素组成。“质谱手段也曾取得了长足的发展，并且提供极度权谋的编制无妨使斟酌人员从所谓的同位素密切构造中读出元素的构成，”Barsch途，“但如果样品中创造一个的确未知的，完满不在数据库中纪录的工具，这就必要从头举行结构领会的才具，那将告急由核磁共振竣工。”于是，质谱和核磁共振可以一起应用，举措代谢组学中的互补妙技。

　　为了进一步深挖羼杂样品，考虑人员不时将质谱与液相或气相色谱联用。“这将有助于一定代谢特征，”Barsch证据叙，“原故将阔别和高分别率检测联用没关系校准样品中的特定因素。”

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　　核磁共振的进展也很有用。当今的平台中的准则驾驭标准应许科学家将伎俩从一个平台传输到另一个平台。在代谢组学中，团队团结水准的不绝降低使得这些改正对科学家在国际上的合营至闭首要，出处你须要寻求来自不同试验室核磁共振数据的相通性。

　　尽管代谢组学商讨人员同时用到质谱和核磁共振，但位于加州圣克拉拉的安捷伦科技公司的代谢组学和蛋白质组学的市场总监Steve Fischer说，“由于仪器的本钱、测量的广度和矫捷度，如今的趋势剧烈倾向于质谱剖析处理规划。”

　　由于大量的可被检测的代谢物的质谱是浸叠的，色谱与质谱联用不妨对样品举办死别、供应永久的领悟。“从广义上谈，一个液相色谱 / 质谱编制可能比气相色谱 / 质谱系统测量更多的工具，”Fischer说。少许样品不易挥发，这就不妨用到气相色谱。不过，“这两个体例都需要了质谱音信，这些音讯可能用来追踪并最终推断出那些已被开采的代谢物，以及代谢物的丰采，”他道。阅历对照样本，这些新闻裸露了哪些代谢物正在爆发转化，数量是几许。

　　体会这些转移需要非常的软件。2016年，安捷伦科技公司颁布了VistaFlux软件，能够实行安静记号同位素示踪。由于各式生物蹊径都能爆发代谢产物，“解析发作代谢产物道径的唯一权谋是资历跟踪从主题代谢物到结尾产物进程中示踪剂的浪掷，”Fischer剖明途。“VistaFlux能将数据分析时代从手工照料的数周减少到几个小时，同时补充了可检测的代谢产物的数量。”

　　看待一个完满寄托代谢组学的管束规划，科学家不妨联用安捷伦科技公司的1290 UHPLC系统和6470 Triple Quadrupole液相色谱 / 质谱系统，并操纵安捷伦科技公司的dMRM代谢组数据库和本事，该平台无妨勘测21种代谢物。

　　其大家公司也为科学家供给了更多的会意选项。例如，赛默飞世尔科技公司的HRAM Orbitrap-based质谱体系能够在不到一小经常间内从几微升的人血浆中检测多达1000个代谢产物。“看待高通量非靶向知道来叙，”Huhmer谈，“赛默飞世尔科技公司的Q Exactive质谱，团结色谱别离（包括离子色谱温柔相色谱）的广度不妨在代谢组中检测理会多种化学组分。”该法子能够与赛默飞世尔科技公司的Compound Discoverer软件联用，不妨充分信仰地将数据转化成有意义的成就，Huhmer剖明。

　　为了了解代谢产物的体例生物学，或它们是奈何一同作用的，科学家一定将这些通途相合起来，这正是基于云的XCMS在线平台的宗旨。“只需要点一下鼠标，你就能从液相色谱 / 质谱编制的反映中得回须要的数据，去除那些展望为特别的通途，”XCMS在线平台的创始人Gary Siuzdak解释途，你是位于加州拉荷亚市的斯克里普斯考虑所代谢组学要旨的主任和教师。“它还可以将蛋白质组和基因组数据集成在懂得中。”该平台供给了多重水平的验证。

　　最紧要的是，XCMS在线平台可以轻巧地赏玩成果。比如，它创筑了一种通途云图，是由通途构成的代谢物交互图。经历单击通途的气泡就可能提供通路的名称、与之相干或不干系的代谢产物、合连的统计数据以及更多。

　　也曾有超越14000名的科学家应用了XCMS在线平台，该平台没关系让全部人们实行分解并共享恶果，起因它是基于云预备的妙技。“所有人一经看到来自每个大陆甚至包罗南极洲的运用者，”Siuzdak路。

　　随着分解开办的不绝美满，生物信息体系效用的日益健壮，还更简便行使，体例生物学技巧将延迟到更多的领域。“系统生物学中这一激烈的趋势正在愈发开阔，”德国亥姆霍兹协同会准备生物学商量所主任Fabian Theis道，“并且医学咨议正在爆发大批的组学器量。”

　　代谢产物在全日中会发作震动，血液是追踪变异的优良样本。观察来骄傲量病人同类群的血液样本是特殊兴味的。Theis 说，“由此，全部人们们可以整合种种组学，开办蚁集，而后将它们与同类群或临床测验进行相合。”

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　　亥姆霍兹联闭会卓殊研究这些大的同类群。我们运用质谱法子勘探了几千名患者的代谢物，尔后将代谢物浓度与单核苷酸多态性（SNPs）相完婚。“谁大凡开掘数十或数百个代谢物与SNPs相合，倘使谁把某个SNP与两个代谢物的比例相关，这两个代谢物在一个生化门径中相邻或产生响应，你们就不妨看到这个SNP对该相应的成就，”Theis说明道。“例如，大家无妨遴选强壮和速病组，或更简练的表型，如男性和女性，回复全班人们是否找到这组变量的代谢足迹。

　　但是，这些数据不能供给易于表白的恶果。很多联系来自于间接效应，起因通路中的某种呼应可以会对其大家反响产生很久的效率。阅历预备和统计用具，Theis及其同事在排除了全部其我们效用之后，将两个代谢物实行了干系。“随后，这个相干性展现出了了的蹊径，”Theis 说，“然后我们就无妨举行跨速病的对比。”

　　随着科学家和临蓐商创设更多的器械来更细致地会意代谢组学，所有人将更多地理解生物体例它们怎样在壮健和疾病状态中起效力，以及它们何如随着期间和境遇的转化而调理。这个中的要路在于更多的以包括更多量的数据集为重心，并与寰宇各地的科学家分享这些数据。■

　　鸣谢：“原文由美国科学冲动会（）宣布在2017年5月12日《科学》杂志”。官方英文版请见。