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Institut für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse

Metabolomics

3d-Darstellung Metabolomics

Der Begriff „Metabolomics“ beschreibt die analytische Erfassung der niedermolekularen Stoffwechselverbindungen in einem biologischen System, sei es in einer Zelle, in einem Gewebe, in Körperflüssigkeiten wie Urin oder Blutplasma oder auch in einem Lebensmittel. Die Gesamtheit dieser Verbindungen, das Metabolom, besteht aus den primären und sekundären Metaboliten des endogenen Stoffwechsels, wie Aminosäuren, Zuckern, Lipiden, Nukleosiden, Steroiden, Alkoholen usw. sowie aus exogenen Stoffen, wie sie über den Verzehr von Lebensmitteln und die Umwelt aufgenommen werden.

Metabolomics als neuer Forschungsansatz

Metabolomics hat sich in den letzten Jahren zunehmend zu einem wichtigen neuen Forschungsansatz in den Lebenswissenschaften entwickelt. Am Max Rubner-Institut wurde 2010 die Entscheidung getroffen, diesen Ansatz institutsübergreifend, unter Federführung des Instituts für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse, einzuführen. Ziel ist, in Zukunft Forschungsfragen in den Bereichen Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln sowie im Bereich der gesundheitsorientierten Ernährungsforschung auf sehr hohem Niveau zu bearbeiten.
Der innovative methodische Ansatz von Metabolomics besteht darin, sehr viele bekannte und unbekannten Verbindungen in einem Arbeitsgang erfasst werden können (ungerichtete Analyse). Dabei wird – im Gegensatz zur klassischen, gerichteten Analytik – nicht die absolute Konzentration ausgewählter Verbindungen exakt bestimmt, sondern zunächst lediglich die Signalintensitäten sehr vieler Verbindungen erfasst. Auf dieser Basis erfolgt dann meist eine sogenannte relative Quantifizierung, d.h. es werden die relativen Konzentrationsverhältnisse von Analyten in verschiedenen Gruppen miteinander verglichen (z.B. „Kontrolle“ VS. „behandelt“ oder „gesund“ VS. „erkrankt“). Ein beispielhaftes Ergebnis könnte sein, dass die Konzentration von Citronensäure in Äpfel während der Lagerung um mehr als 50% abnimmt. Diese Vorgehensweise ermöglicht nicht nur die Erfassung einer wesentlich größeren Zahl von Verbindungen, sondern lässt es auch zu, dass unbekannte Metaboliten als wichtig erkannt und dann nachträglich identifiziert werden. Die umfangreiche Erfassung von Metaboliten einerseits und die ergebnisoffene Analyse andererseits sind die größten Stärken von Metabolomics.

Das Metabolom von Lebensmitteln

Metabolom-Analysen erweisen sich zunehmend als wichtige Werkzeuge in der Qualitäts- und Sicherheitsbeurteilung von Lebensmitteln, da diese somit wesentlich umfassender beschrieben werden können. So kann zukünftig besser verstanden werden, wie sich unterschiedliche Anbauverfahren oder Lagerungsbedingungen auf die Lebensmittelqualität auswirken, was eine Optimierung dieser Verfahren und Bedingungen ermöglicht. Mithilfe einer ungerichteten Metabolomanalytik ist es zudem möglich, bisher unbekannte und evtl. frühzeitig auftretende Verderbsmarker zu identifizieren. Im Bereich Lebensmittelsicherheit kann Metabolomics zur Sicherheitsbeurteilung neuer Technologien beitragen. In der Pflanzenzüchtung ist Metabolomics bereits auf dem Wege, ein wichtiges Werkzeug für die Charakterisierung von Sorten mit verbesserten Resistenzeigenschaften zu werden. Insbesondere das Institut für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse bearbeitet seit dem Jahr 2014 in Kooperation mit diversen Partnern aus der Agrarwissenschaft schwerpunktmäßig lebensmittelbezogene Fragestellungen mithilfe von Metabolomics-Methoden. Dabei werden zunehmend die Expertisen aus den verschiedenen Arbeitsgruppen (Mykologie, Mikrobiologie, Nacherntephysiologie, Instrumentelle Analytik und Bioinformatik/Statistik) integriert, um eine interdisziplinäre, fundierte Bearbeitung der Fragestellungen zu ermöglichen.

Das Metabolom des Menschen

Das Metabolom eines biologischen Systems wird von vielen Faktoren beeinflusst. Das humane Metabolom ist unter anderem vom biologischen Alter, vom Geschlecht, vom Genotyp, vom Gesundheitszustand, von der Ernährung und von dem Ausmaß an körper¬licher Aktivität abhängig. Als Endprodukt höchst komplexer biochemischer Netzwerke ist das humane Metabolom sehr variabel.
Gegenwärtig ist nicht bekannt, welche Lebensstilfaktoren das humane Metabolom determinieren und welche Metabolitenprofile mit Gesundheit, höherer Lebensqualität und Leistungsfähigkeit und damit auch einem verringerten Krank¬heitsrisiko einhergehen.  Ein wichtiges Ziel der Ernährungsforschung ist es, durch die Charakterisierung des humanen Metaboloms neue Marker zu identifizieren und deren Beein¬flussung durch Ernährung und andere Lebensstilfaktoren aufzuzeigen. Das MRI hat insbesondere mit dem Aufbau und der metabolischen Charakterisierung eines eigenen Probandenkollektivs, der mehr als 300 gesunde Erwachsene umfassenden „Karlsruher Metabolomics and Nutrition“ (KarMeN)-Kohorte einen Beitrag zur Beantwortung dieser zentralen Fragen geleistet. Gelingt es, künftig fundierte Aussagen zu relevanten Lebensstil-abhängigen Faktoren der menschlichen Gesundheit zu treffen, wäre dies ein wichtiger Schritt in der Prävention von ernährungsassoziierten Krankheiten.

Die Metabolomics-Plattformen am MRI

Am Max Rubner-Institut steht die Entwicklung von Massenspektrometrie-basierten Metabolomics-Methoden im Vordergrund. In Ergänzung dazu ist, im Rahmen einer Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), auch der Zugang zur NMR-basierten Metabolom-Analytik gegeben.
Bisher wird insbesondere eine ungerichtete Metabolite-Profiling-Plattform basierend auf der umfassenden zweidimensionalen Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC×GC-MS) eingesetzt, mit der je nach Probenmatrix typischerweise zwischen 200 – 400 Metaboliten reproduzierbar semi-quantifiziert werden können. Daneben wurden verschiedene gerichtete Methoden ergänzend entwickelt, mithilfe derer Verbindungen aus bestimmten Substanzklassen wie Zucker, phenolische Säure oder Gallensäuren gezielt quantifiziert werden können. Eine Methode für die ungerichtete LC-MS-Metabolomanalytik wird aktuell entwickelt.