Natürliche Produktentdeckung mit LC-MS/MS Diagnostic Fragmentierungs-Filterung: Anwendung für die Mikrocystist-Analyse

Die Tandem-Massenspektrometrie (MS/MS) ist eine weit verbreitete Massenspektrometrie-Methode, bei der ein Vorläuferion isoliert und durch die Anwendung von Aktivierungsenergie wie kollisionsbedingte Dissoziation (CID)1 eine Fragmentierung induziert wird. Die Art und Weise, wie ein Ionenfragmente eng mit seiner molekularen Struktur verbunden ist. Natürliche Produkte werden oft als Mischungen strukturell ähnlicher Verbindungen und nicht als eine einzige einzigartige Chemikalie²biosynthetisiert. Als solche teilen strukturell verwandte Verbindungen, die zur gleichen biosynthetischen Klasse gehören, oft wichtige MS/MS-Fragmentierungsmerkmale, einschließlich gemeinsamer Produktzionen und/oder neutraler Verluste. Die Fähigkeit, komplexe Proben auf Verbindungen zu untersuchen, die klassenspezifische Produkt-Ionen and/oder neutrale Verluste^besitzen, ist eine leistungsfähige Strategie, um ganze Klassen von Verbindungen zu erkennen, was möglicherweise zur Entdeckung neuer natürlicher Produkte führt 3^{, 4 , 5 , 6}. Massenspektrometrie-Methoden wie das neutrale Verlustscannen und das Vorläuferkonten von Ionen, die auf Instrumenten mit niedriger Auflösung durchgeführt werden, lassen seit Jahrzehnten Ionen mit den gleichen neutralen Verlust-oder Produktzonen erkennen. Die spezifischen Ionen oder Übergänge mussten jedoch vor der Durchführung der Experimente definiert werden. Da hochauflösende Massenspektrometer in Forschungslabors immer beliebter geworden sind, werden komplexe Proben heute häufig mit nicht zielgerichteten, datenabhängigen Akquisitionsmethoden (DDA) untersucht. Im Gegensatz zum traditionellen neutralen Verlust-und Vorläuferkonten lassen sich durch die Nachbeschaffungsanalyse 7 strukturbezogene Verbindungen^{identifizieren}. In dieser Arbeit zeigen wir eine Strategie, die wir als diagnostische Fragmentierungsfilterung (DFF) 5^{, 6 entwickelt}haben, einen geradlinigen und benutzerfreundlichen Ansatz, um ganze Verbindungen in komplexen Matrizen zu erkennen. Dieses DFF-Modul wurde in der Open-Source-Plattform MZmine 2 implementiert und ist über den Download von MZmine 2.38 oder neueren Versionen verfügbar. DFF ermöglicht es Nutzern, DDA-Datensätze für MS/MS-Spektren, die Produkt-Ionen (s) and/oder neutrale Verluste (es) enthalten, die für ganze Klassen von Verbindungen diagnostiziert sind, effizient zu durchsuchen. Eine Begrenzung der DFF sind charakteristische Produktideonen und/oder neutrale Verluste für eine Klasse von Verbindungen muss vom Analytiker definiert werden.

Zum Beispiel, jedes der mehr als 60 verschiedenen Fumonisin Mykotoxineidentifiziert 8,9^besitzen eine trikarballylische Seitenkette,die ein m/157.0142 (C₆H 5 O₅-) Produkt-Ion erzeugt auf Fragmentierung der [M-H]^-Ion 4. Daher können alle vermeintlichen Fumonisine einer Probe mit DFF durch das Screening aller MS/MS-Spektren in einem DDA-Datensatz, die das markante m/157.0142-Produkt enthalten, erkannt werden. In ähnlicher Weise können sulvated Verbindungen durch das Screening von DDA-Datensätzen auf MS/MS-Spektren, die einen diagnoseinen-neutralen Verlust von 79.9574 Da (SO₃)³enthalten, nachgewiesen werden. Dieser Ansatz wurde auch erfolgreich angewendet, um neue zyklische Peptide 5 und Naturprodukte zu entdecken, die Tryptophan oder Phenylalanin-Rückstände6 enthalten.

Um die Wirksamkeit der DFF und ihre Benutzerfreundlichkeit innerhalb der MZmine-Plattform¹⁰zu demonstrieren, haben wir diesen Ansatz bei der Analyse von Mikrozystinen (MCs) angewandt; Eine Klasse von über 240 strukturell verwandten Giftstoffen, die von Süßwassercyanobakterien^11,12,13produziert werden.

Die am häufigsten gemeldeten Cyanotoxine sind MCs, wobei die MC-LR (Leucine [L]/Arginin [R]) kongener am häufigsten untersucht wird (Abbildung1). Die MCs sind monozyklische nicht-ribosomale Heptapeptide, biosynthetisiert durch mehrere Cyanobakterien-Gattungen , darunter Microcystis, Anabaena, Nostoc und Planktothrix^12,13. Die MCs bestehen aus fünf gemeinsamen Rückständen und zwei variablen Positionen, die mit L-Aminosäuren belegtwerden. Fast alle MCs besitzen eine charakteristische β-Aminosäure 3amino-9-Methoxy-2, 6, 8-Trimethyl-10-Phenyldezen-4,6-Dieno-Säure (Adda) Rückstände an Position 5^11.  Die MS/MS-Fragmentierungswege der MCs sindgut beschrieben 14^,15; Die Adda-Reste sind verantwortlich für das prominente MS- /MS-Produkt Ion, m/135.0803⁺ (C 9 H 11 O⁺⁾sowie andere Produktzionen wie m/163.1114 + (C₁₁H 15⁾ . O⁺) (Abbildung 2). Mit diesen diagnostischen Ionen können nicht zielgerichtete DDA-Datensätze von Microcystis aeruginosa-Kellinextrakten für alle vorhandenen Mikrocystine untersucht werden, sofern die Mikrozystine eine Adda-Rückstände aufweisen.