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Metabolomics

Metabolomics als neue Schlüsseltechnologie

Metabolomics hat sich in den letzten Jahren zunehmend zu einer Schlüsseltechnologie in den Lebenswissenschaften entwickelt. Am Max Rubner-Institut wurde 2010 die Entscheidung getroffen, diese Technologie institutsübergreifend, unter Federführung des Instituts für Sicherheit und Qualität bei Obst und Gemüse, zu etablieren. Ziel ist, in Zukunft eine State-of-the-Art-Bearbeitung der Forschungsfragen in den Bereichen Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln sowie im Bereich der gesundheitsorientierten Ernährungsforschung zu gewährleisten.
Der innovative methodische Ansatz von Metabolomics ist, dass hier nicht wie in der klassischen Analytik die absolute Konzentration einiger bekannter Metaboliten (Stoffwechselverbindungen) gezielt bestimmt wird (gerichtete Analyse), sondern dass mit einer Analyse eine möglichst umfangreiche Anzahl von Metaboliten, bekannte aber auch unbekannte, erfasst werden. Dieser ungerichtete Ansatz ermöglicht eine relative Quantifizierung aller reproduzierbar erfassbaren Metaboliten. Dabei wird das relative Verhältnis, in dem ein bestimmter Metabolit in einer Probe im Vergleich zu einer anderen Probe und/oder der Gesamtheit der Proben vorliegt, angegeben. Diese Vorgehensweise ermöglicht nicht nur die Erfassung einer wesentlich größeren Zahl von Metaboliten, sondern lässt es auch zu, dass unbekannte Metaboliten als wichtig erkannt und dann erst nachträglich identifiziert werden. Die umfangreiche Erfassung von Metaboliten einerseits und die ergebnisoffene Analyse andererseits sind die größten Stärken von Metabolomics. Sie ermöglichen es, bisher nicht bekannte Unterschiede zwischen verschiedenen Proben zu erkennen.

Das Metabolom des Menschen

Das Metabolom eines biologischen Systems wird von vielen Faktoren beeinflusst. Das humane Metabolom ist unter anderem abhängig von Alter, Geschlecht, Genotyp, Gesundheitszustand, Ernährung und körper­licher Aktivität. Als Produkt eines höchst komplexen biochemischen Netzwerkes ist das humane Metabolom sehr variabel.
Ein wichtiges Ziel der Ernährungsforschung ist es, durch die Charakterisierung des humanen Metaboloms neue Biomarker zu identifizieren und deren Beein­flussung durch Ernährung und andere Life-Style-Faktoren aufzuzeigen. Gegenwärtig ist nicht bekannt, welche Lebensstilfaktoren das humane Metabolom determinieren und welches Metabolitenprofil mit Gesundheit, höherer Lebensqualität und Leistungsfähigkeit und damit auch einem verringerten Krank­heitsrisiko einhergeht. Das MRI will mit dem Aufbau und der metabolischen Charakterisierung einer eigenen Kohorte, der Karlsruher Metabolomics for Nutrition (KarMeN)-Kohorte, die aus ca. 350 gesunden Menschen besteht, einen Beitrag zur Beantwortung dieser zentralen Fragen leisten. 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.

Das Metabolom von Lebensmitteln

Metabolom-Analysen erweisen sich auch als innovative und hilfreiche Werkzeuge in der Qualitäts- und Sicherheitsbeurteilung von Lebensmitteln, da diese damit wesentlich umfassender beschrieben werden können. So kann zukünftig besser verstanden werden, wie sich unterschiedliche Anbauverfahren oder Lagerungsbedingungen auf die Lebensmittelqualität auswirken, um diese entsprechend zu optimieren. Im Bereich Lebensmittelsicherheit kann Metabolomics zur Sicherheitsbeurteilung neuer Technologien beitragen. In der Pflanzenzüchtung ist Metabolomics bereits auf dem Wege, ein wichtiges Werkzeug für die Selektion von Resistenzen zu werden.

Die Metabolomics-Plattform 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-Analyse gegeben. 
Bisher etabliert und bereits erfolgreich eingesetzt wurden eine ungerichtete Metabolite-Profiling-Methode mittels GCxGC/MS, mit der je nach Probenmatrix 150 –400 Metabolite robust und reproduzierbar detektiert werden können. Daneben stehen mittels HPLC-MS/MS zwei gerichtete Methoden zur Verfügung, mit deren Hilfe weitere 173 Metabolite quantifiziert werden. Eine zweite ungerichtete HPLC-MS/TOF-Methode wird die Plattform künftig weiter ergänzen.

Der Begriff Metabolomics

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