मेटाबोलॉमिक्स

मेटाबोलोमिक्स मेटाबोलाइट्स, छोटे अणु सब्सट्रेट्स, मध्यवर्ती और सेल चयापचय के उत्पादों से जुड़ी रासायनिक प्रक्रियाओं का वैज्ञानिक अध्ययन है। विशेष रूप से, मेटाबोलॉमिक्स अद्वितीय रासायनिक उंगलियों के निशान का व्यवस्थित अध्ययन है जो विशिष्ट सेलुलर प्रक्रियाएं पीछे छोड़ती हैं, उनके छोटे-अणु मेटाबोलाइट प्रोफाइल का अध्ययन। चयापचय जैविक कोशिका, ऊतक, अंग या जीव में मेटाबोलाइट्स के पूरे सेट का प्रतिनिधित्व करता है, जो सेलुलर प्रक्रियाओं के अंतिम उत्पाद हैं। मैसेंजर आरएनए (एमआरएनए), जीन अभिव्यक्ति डेटा और प्रोटिओमिक्स विश्लेषण से कोशिका में उत्पादित होने वाले जीन उत्पादों के सेट का पता चलता है, डेटा जो सेलुलर फ़ंक्शन के पहलू का प्रतिनिधित्व करता है। इसके विपरीत, मेटाबॉलिक प्रोफाइलिंग उस कोशिका के शरीर क्रिया विज्ञान का तात्कालिक स्नैपशॉट दे सकती है, और इस प्रकार, मेटाबोलॉमिक्स किसी जीव की शारीरिक स्थिति का प्रत्यक्ष कार्यात्मक रीडआउट प्रदान करता है। मेटाबोलोम और अन्य सेलुलर एन्सेम्बल (जीनोम, transcriptome, प्रोटीओम और लिपिडोम) के बीच वास्तव में मात्रात्मक सहसंबंध हैं, जिनका उपयोग जैविक नमूनों में मेटाबोलाइट प्रचुरता की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए एमआरएनए प्रचुरता। सिस्टम जीव विज्ञान की अंतिम चुनौतियों में से सेलुलर बायोलॉजी की बेहतर समझ प्रदान करने के लिए अन्य सभी ओमिक्स|-ओमिक्स जानकारी के साथ मेटाबोलॉमिक्स को एकीकृत करना है।

इतिहास
यह अवधारणा कि व्यक्तियों की चयापचय प्रोफ़ाइल हो सकती है जो उनके जैविक तरल पदार्थों की संरचना में परिलक्षित हो सकती है, 1940 के दशक के अंत में रोजर विलियम्स द्वारा पेश की गई थी, जिन्होंने मूत्र और लार में विशिष्ट चयापचय पैटर्न का सुझाव देने के लिए कागज क्रोमैटोग्राफी का उपयोग किया था, वे प्रकार का मानसिक विकार जैसी बीमारियों से जुड़े थे। हालाँकि, 1960 और 1970 के दशक में तकनीकी प्रगति के माध्यम से ही चयापचय प्रोफाइल को मात्रात्मक (गुणात्मक के विपरीत) मापना संभव हो गया। मेटाबॉलिक प्रोफ़ाइल शब्द हॉर्निंग और अन्य द्वारा प्रस्तुत किया गया था। 1971 में जब उन्होंने प्रदर्शित किया कि गैस क्रोमैटोग्राफी-मास स्पेक्ट्रोमेट्री (जीसी-एमएस) का उपयोग मानव मूत्र और ऊतक अर्क में मौजूद यौगिकों को मापने के लिए किया जा सकता है। हॉर्निंग समूह ने लिनस पॉलिंग और आर्थर बी. रॉबिन्सन के साथ मिलकर 1970 के दशक के दौरान मूत्र में मौजूद चयापचयों की निगरानी के लिए जीसी-एमएस विधियों के विकास का नेतृत्व किया।

समवर्ती रूप से, परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, जिसे 1940 के दशक में खोजा गया था, भी तेजी से प्रगति के दौर से गुजर रहा था। 1974 में, सीली एट अल। असंशोधित जैविक नमूनों में मेटाबोलाइट्स का पता लगाने के लिए एनएमआर का उपयोग करने की उपयोगिता का प्रदर्शन किया। मांसपेशियों पर इस पहले अध्ययन ने एनएमआर के मूल्य पर प्रकाश डाला जिसमें यह निर्धारित किया गया था कि सेलुलर एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट का 90% मैग्नीशियम के साथ जटिल है। चूंकि उच्च चुंबकीय क्षेत्र शक्तियों और जादुई कोण कताई के विकास के साथ संवेदनशीलता में सुधार हुआ है, एनएमआर चयापचय की जांच के लिए अग्रणी विश्लेषणात्मक उपकरण बना हुआ है। मेटाबोलॉमिक्स के लिए एनएमआर का उपयोग करने के हालिया प्रयासों को काफी हद तक बिर्कबेक कॉलेज, लंदन विश्वविद्यालय और बाद में इंपीरियल कॉलेज लंदन में जेरेमी के. निकोलसन की प्रयोगशाला द्वारा संचालित किया गया है। 1984 में, निकोलसन ने दिखाया 1एच एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग संभावित रूप से मधुमेह मेलिटस के निदान के लिए किया जा सकता है, और बाद में एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा के लिए पैटर्न पहचान विधियों के अनुप्रयोग का बीड़ा उठाया। 1994 और 1996 में मास स्पेक्ट्रोमेट्री#तरल क्रोमैटोग्राफी मेटाबोलॉमिक्स प्रयोग नींद से वंचित जानवरों के सेरेब्रल स्पाइनल तरल पदार्थ का विश्लेषण करने के लिए रिचर्ड लर्नर (द स्क्रिप्स रिसर्च इंस्टीट्यूट के तत्कालीन अध्यक्ष) और बेंजामिन क्रावेट के साथ काम करते हुए गैरी सिउज़दाक द्वारा प्रदर्शन किया गया था। विशेष रुचि का अणु, ओलेमाइड, देखा गया और बाद में इसमें नींद लाने वाले गुण पाए गए। यह कार्य मेटाबोलॉमिक्स में तरल क्रोमैटोग्राफी और मास स्पेक्ट्रोमेट्री के संयोजन वाले सबसे शुरुआती प्रयोगों में से है।

2005 में, पहला मेटाबोलॉमिक्स अग्रानुक्रम मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटाबेस, मेटलिन, मानव चयापचयों को चिह्नित करने के स्क्रिप्स अनुसंधान संस्थान में गैरी सिउज़डक प्रयोगशाला में विकसित किया गया था। मेटलिन तब से बड़ा हो गया है और 1 जुलाई, 2019 तक, मेटलिन में 450,000 से अधिक मेटाबोलाइट्स और अन्य रासायनिक इकाइयां शामिल हैं, प्रत्येक यौगिक में कई टकराव ऊर्जाओं और सकारात्मक और नकारात्मक आयनीकरण मोड में आणविक मानकों से उत्पन्न प्रयोगात्मक अग्रानुक्रम द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा होता है। मेटलिन अपनी तरह का टेंडेम मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा का सबसे बड़ा भंडार है। समर्पित अकादमिक पत्रिका मेटाबोलॉमिक्स पहली बार 2005 में प्रकाशित हुई, जिसकी स्थापना इसके वर्तमान प्रधान संपादक रॉय गुडाकरे ने की थी।

2005 में, सिउज़डैक लैब सेप्सिस से जुड़े मेटाबोलाइट्स की पहचान करने में लगी हुई थी और सैकड़ों एलसी/एमएस डेटासेट में सबसे प्रासंगिक अनियमित मेटाबोलाइट्स की सांख्यिकीय रूप से पहचान करने के मुद्दे को संबोधित करने के प्रयास में, मास स्पेक्ट्रोमेट्री मेटाबोलॉमिक्स डेटा के नॉनलाइनियर संरेखण की अनुमति देने के लिए पहला एल्गोरिदम विकसित किया गया था। एक्ससीएमएस कहा जाता है, यह तब से है (2012) इसे ऑनलाइन टूल के रूप में विकसित किया गया है और 2019 तक (मेटलिन के साथ) इसके 30,000 से अधिक पंजीकृत उपयोगकर्ता हैं।

23 जनवरी 2007 को, डेविड एस. विशार्ट के नेतृत्व में मानव चयापचय परियोजना ने मानव मेटाबोलोम का पहला मसौदा पूरा किया, जिसमें लगभग 2,500 मेटाबोलाइट्स, 1,200 दवाओं और 3,500 खाद्य घटकों का डेटाबेस शामिल था। कई पौधों की प्रजातियों में इसी तरह की परियोजनाएँ चल रही हैं, विशेष रूप से मेडिकैगो ट्रंकैटुला में और अरबीडोफिसिस थालीआना कई वर्षों के लिए।

2010 के मध्य तक, मेटाबोलॉमिक्स को अभी भी उभरता हुआ क्षेत्र माना जाता था। इसके अलावा, यह नोट किया गया कि क्षेत्र में आगे की प्रगति बड़े पैमाने पर मास स्पेक्ट्रोमेट्री इंस्ट्रूमेंटेशन के तकनीकी विकास द्वारा, अन्यथा अघुलनशील तकनीकी चुनौतियों को संबोधित करने पर निर्भर करती है।

2015 में, पहली बार वास्तविक समय मेटाबोलोम प्रोफाइलिंग का प्रदर्शन किया गया था।

मेटाबोलोम


मेटाबोलोम छोटे-अणु के पूर्ण सेट को संदर्भित करता है (<1.5 केडीए) मेटाबोलाइट्स (जैसे चयापचय मध्यवर्ती, हार्मोन और अन्य सिग्नलिंग अणु, और माध्यमिक मेटाबोलाइट्स) जैविक नमूने के भीतर पाए जाते हैं, जैसे कि जीव। यह शब्द ट्रांस्क्रिप्टोमिक्स और प्रोटिओमिक्स के अनुरूप गढ़ा गया था; ट्रांस्क्रिप्टोम और प्रोटिओम की तरह, मेटाबोलोम गतिशील है, दूसरे से दूसरे में बदलता रहता है। यद्यपि चयापचय को आसानी से परिभाषित किया जा सकता है, वर्तमान में एकल विश्लेषणात्मक विधि द्वारा चयापचयों की संपूर्ण श्रृंखला का विश्लेषण करना संभव नहीं है।

टेंडेम मास स्पेक्ट्रोमेट्री प्रयोगों से विखंडन डेटा की खोज के लिए पहला मेटाबोलाइट डेटाबेस (जिसे मेटलिन कहा जाता है) 2005 में द स्क्रिप्स रिसर्च इंस्टीट्यूट में सिउज़डैक लैब द्वारा विकसित किया गया था। मेटलिन में 450,000 से अधिक मेटाबोलाइट्स और अन्य रासायनिक इकाइयां शामिल हैं, प्रत्येक यौगिक में प्रयोगात्मक अग्रानुक्रम मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा होता है। 2006 में, सिउज़डैक लैब ने मास स्पेक्ट्रोमेट्री मेटाबोलॉमिक्स डेटा के नॉनलाइनियर संरेखण की अनुमति देने के लिए पहला एल्गोरिदम भी विकसित किया। एक्ससीएमएस कहा जाता है, जहां एक्स किसी भी क्रोमैटोग्राफिक तकनीक का गठन करता है, इसे ऑनलाइन टूल के रूप में विकसित किया गया है।

जनवरी 2007 में, अल्बर्टा विश्वविद्यालय और कैलगरी विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने मानव चयापचय का पहला मसौदा पूरा किया। मानव चयापचय डेटाबेस (HMDB) शायद अब तक का सबसे व्यापक सार्वजनिक मेटाबॉलिक स्पेक्ट्रल डेटाबेस है और स्वतंत्र रूप से उपलब्ध इलेक्ट्रॉनिक डेटाबेस (www.hmdb.ca) है जिसमें मानव शरीर में पाए जाने वाले छोटे अणु चयापचयों के बारे में विस्तृत जानकारी है। इसका उपयोग मेटाबोलॉमिक्स, क्लिनिकल केमिस्ट्री, बायोमार्कर डिस्कवरी और सामान्य शिक्षा में अनुप्रयोगों के लिए किया जाना है। डेटाबेस को तीन प्रकार के डेटा को शामिल करने या लिंक करने के लिए डिज़ाइन किया गया है: डेटाबेस में 220,945 मेटाबोलाइट प्रविष्टियाँ हैं जिनमें पानी में घुलनशील और लिपिड घुलनशील मेटाबोलाइट्स दोनों शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, 8,610 प्रोटीन अनुक्रम (एंजाइम और ट्रांसपोर्टर) इन मेटाबोलाइट प्रविष्टियों से जुड़े हुए हैं। प्रत्येक मेटाबोकार्ड प्रविष्टि में 130 डेटा फ़ील्ड होते हैं जिनमें से 2/3 जानकारी रासायनिक/नैदानिक ​​​​डेटा के लिए समर्पित होती है और अन्य 1/3 एंजाइमैटिक या जैव रासायनिक डेटा के लिए समर्पित होती है। एचएमडीबी के संस्करण 3.5 में >16,000 अंतर्जात मेटाबोलाइट्स, >1,500 दवाएं और >22,000 खाद्य घटक या खाद्य मेटाबोलाइट्स शामिल हैं। ह्यूमन मेटाबोलोम डेटाबेस पर उपलब्ध और वर्तमान वैज्ञानिक साहित्य में उपलब्ध जानकारी के विश्लेषण पर आधारित यह जानकारी पूर्ण नहीं है। इसके विपरीत, अन्य जीवों के चयापचयों के बारे में बहुत कुछ ज्ञात है। उदाहरण के लिए, 50,000 से अधिक मेटाबोलाइट्स को पौधे साम्राज्य से चिह्नित किया गया है, और कई हजारों मेटाबोलाइट्स को एकल पौधों से पहचाना और/या चिह्नित किया गया है।
 * 1) रासायनिक डेटा,
 * 2) क्लिनिकल डेटा और
 * 3) आणविक जीव विज्ञान/जैव रसायन डेटा।

प्रत्येक प्रकार की कोशिका और ऊतक में अद्वितीय चयापचय 'फ़िंगरप्रिंट' होता है जो अंग या ऊतक-विशिष्ट जानकारी को स्पष्ट कर सकता है। मेटाबोलॉमिक्स विश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले जैव-नमूनों में प्लाज्मा, सीरम, मूत्र, लार, मल, मांसपेशी, पसीना, साँस छोड़ना और जठरांत्र द्रव शामिल हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं हैं। संग्रह में आसानी से उच्च अस्थायी समाधान की सुविधा मिलती है, और क्योंकि वे हमेशा शरीर के साथ गतिशील संतुलन में होते हैं, वे मेजबान का समग्र रूप से वर्णन कर सकते हैं। जीनोम बता सकता है कि क्या हो सकता है, ट्रांस्क्रिप्टोम बता सकता है कि क्या हो रहा है, प्रोटीओम बता सकता है कि ऐसा क्यों होता है और मेटाबोलोम बता सकता है कि क्या हुआ है और क्या हो रहा है।

मेटाबोलाइट्स
मेटाबोलाइट्स चयापचय के सब्सट्रेट, मध्यवर्ती और उत्पाद हैं। मेटाबोलॉमिक्स के संदर्भ में, मेटाबोलाइट को आमतौर पर 1.5 डाल्टन (इकाई) से कम आकार के किसी भी अणु के रूप में परिभाषित किया जाता है। हालाँकि, नमूने और पता लगाने की विधि के आधार पर इसके अपवाद भी हैं। उदाहरण के लिए, रक्त प्लाज्मा के परमाणु चुंबकीय अनुनाद-आधारित मेटाबोलॉमिक्स अध्ययन में लिपोप्रोटीन और एल्बुमिन जैसे मैक्रोमोलेक्यूल्स का विश्वसनीय रूप से पता लगाया जाता है। पौधे-आधारित चयापचयों में, प्राथमिक और द्वितीयक चयापचयों का उल्लेख करना आम बात है। एक प्राथमिक मेटाबोलाइट सीधे सामान्य वृद्धि, विकास और प्रजनन में शामिल होता है। द्वितीयक मेटाबोलाइट सीधे तौर पर उन प्रक्रियाओं में शामिल नहीं होता है, लेकिन आमतौर पर महत्वपूर्ण पारिस्थितिकीय कार्य करता है। उदाहरणों में एंटीबायोटिक दवाओं और रंग शामिल हैं। इसके विपरीत, मानव-आधारित मेटाबोलॉमिक्स में, मेटाबोलाइट्स को या तो अंतर्जात (मेजबान जीव द्वारा निर्मित) या बहिर्जात के रूप में वर्णित करना अधिक आम है। दवाओं जैसे विदेशी पदार्थों के मेटाबोलाइट्स को ज़ेनोमेटाबोलाइट्स कहा जाता है। मेटाबोलोम चयापचय प्रतिक्रियाओं का बड़ा नेटवर्क बनाता है, जहां एंजाइमी रासायनिक प्रतिक्रिया से आउटपुट अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए इनपुट होते हैं। ऐसी प्रणालियों को हाइपरसाइकल (रसायन विज्ञान) के रूप में वर्णित किया गया है।

मेटाबोनॉमिक्स
मेटाबोनॉमिक्स को पैथोफिजियोलॉजिकल उत्तेजनाओं या आनुवंशिक संशोधन के लिए जीवित प्रणालियों की गतिशील मल्टीपैरामीट्रिक चयापचय प्रतिक्रिया के मात्रात्मक माप के रूप में परिभाषित किया गया है। उत्पत्ति शब्द ग्रीक μεταβολή से आया है जिसका अर्थ है परिवर्तन और नोमोस का अर्थ है नियम सेट या कानूनों का समूह। इस दृष्टिकोण की शुरुआत मर्डोक विश्वविद्यालय में जेरेमी निकोलसन द्वारा की गई थी और इसका उपयोग विष विज्ञान, रोग निदान और कई अन्य क्षेत्रों में किया गया है। ऐतिहासिक रूप से, मेटाबोनॉमिक्स दृष्टिकोण चयापचय के अध्ययन के लिए सिस्टम बायोलॉजी के दायरे को लागू करने वाले पहले तरीकों में से था। 'मेटाबोलॉमिक्स' और 'मेटाबोनोमिक्स' के बीच सटीक अंतर पर कुछ असहमति रही है। दोनों शब्दों के बीच का अंतर विश्लेषणात्मक मंच की पसंद से संबंधित नहीं है: हालांकि मेटाबोनोमिक्स परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी और मेटाबोलॉमिक्स मास स्पेक्ट्रोमेट्री-आधारित तकनीकों के साथ अधिक जुड़ा हुआ है, यह केवल विभिन्न समूहों के बीच उपयोग के कारण है जिन्होंने विभिन्न शब्दों को लोकप्रिय बनाया है। हालांकि अभी भी कोई पूर्ण सहमति नहीं है, लेकिन इस बात पर आम सहमति बढ़ रही है कि 'मेटाबोलॉमिक्स' सेलुलर या अंग स्तर पर चयापचय प्रोफाइलिंग पर अधिक जोर देता है और मुख्य रूप से सामान्य अंतर्जात चयापचय से संबंधित है। 'मेटाबोनॉमिक्स' पर्यावरणीय कारकों (आहार और विषाक्त पदार्थों सहित), रोग प्रक्रियाओं और आंत माइक्रोफ्लोरा जैसे एक्सट्रेजेनोमिक प्रभावों की भागीदारी के कारण होने वाली चयापचय की गड़बड़ी के बारे में जानकारी शामिल करने के लिए चयापचय प्रोफाइलिंग का विस्तार करता है। यह कोई मामूली अंतर नहीं है; परिभाषा के अनुसार, मेटाबॉलिक अध्ययन में एक्सट्रेजेनोमिक स्रोतों से मेटाबोलिक योगदान को बाहर रखा जाना चाहिए, क्योंकि ये अध्ययन किए जा रहे सिस्टम के लिए बाहरी हैं। हालाँकि, व्यवहार में, मानव रोग अनुसंधान के क्षेत्र में दोनों शब्दों के उपयोग के तरीके में अभी भी काफी हद तक ओवरलैप है, और वे अक्सर प्रभाव में पर्यायवाची होते हैं।

एक्सोमेटाबोलोमिक्स
एक्सोमेटाबोलॉमिक्स, या मेटाबोलिक फ़ुटप्रिंटिंग, बाह्य कोशिकीय मेटाबोलाइट्स का अध्ययन है। यह मेटाबोलॉमिक्स के अन्य उपक्षेत्रों से कई तकनीकों का उपयोग करता है, और इसमें जैव ईंधन विकास, जैव प्रसंस्करण, दवाओं की कार्रवाई के तंत्र को निर्धारित करने और अंतरकोशिकीय इंटरैक्शन का अध्ययन करने में अनुप्रयोग हैं।

विश्लेषणात्मक प्रौद्योगिकियाँ
चयापचय अध्ययन का विशिष्ट कार्यप्रवाह चित्र में दिखाया गया है। सबसे पहले, ऊतक, प्लाज्मा, मूत्र, लार, कोशिकाओं आदि से नमूने एकत्र किए जाते हैं। इसके बाद, मेटाबोलाइट्स को अक्सर आंतरिक मानकों और व्युत्पन्नकरण के साथ निकाला जाता है। नमूना विश्लेषण के दौरान, मेटाबोलाइट्स की मात्रा निर्धारित की जाती है (तरल क्रोमाटोग्राफी या गैस वर्णलेखन मास स्पेक्ट्रोमेट्री और/या परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ मिलकर)। कच्चे आउटपुट डेटा का उपयोग मेटाबोलाइट सुविधा निष्कर्षण के लिए किया जा सकता है और सांख्यिकीय विश्लेषण (जैसे प्रमुख घटक विश्लेषण) से पहले संसाधित किया जा सकता है। रोग की स्थिति और परिणामों के साथ जुड़ाव की पहचान करने, महत्वपूर्ण सहसंबंध निर्धारित करने और मौजूदा जैविक ज्ञान के साथ चयापचय हस्ताक्षरों को चिह्नित करने के लिए कई जैव सूचनात्मक उपकरण और सॉफ़्टवेयर उपलब्ध हैं।

पृथक्करण विधियाँ
प्रारंभ में, मेटाबोलॉमिक नमूने में विश्लेषण में अत्यधिक जटिल मिश्रण शामिल होता है। कुछ विश्लेषणों को दूसरों से अलग करके इस जटिल मिश्रण को पता लगाने से पहले सरल बनाया जा सकता है। पृथक्करण विभिन्न लक्ष्यों को प्राप्त करता है: जिन विश्लेषणों को डिटेक्टर द्वारा हल नहीं किया जा सकता है उन्हें इस चरण में अलग किया जा सकता है; एमएस विश्लेषण में, तरल क्रोमैटोग्राफी-मास स्पेक्ट्रोमेट्री में आयन दमन कम हो जाता है; विश्लेषक का अवधारण समय उसकी पहचान के संबंध में जानकारी के रूप में कार्य करता है। यह पृथक्करण चरण अनिवार्य नहीं है और इसे अक्सर एनएमआर और शॉटगन आधारित दृष्टिकोण जैसे शॉटगन लिपिडोमिक्स में छोड़ दिया जाता है।

गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी), खासकर जब मास स्पेक्ट्रोमेट्री (गैस क्रोमैटोग्राफी-मास स्पेक्ट्रोमेट्री | जीसी-एमएस) के साथ इंटरफेस किया जाता है, मेटाबॉलिक विश्लेषण के लिए व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली पृथक्करण तकनीक है। जीसी बहुत उच्च क्रोमैटोग्राफिक रिज़ॉल्यूशन प्रदान करता है, और इसका उपयोग लौ आयनीकरण डिटेक्टर (जीसी/एफआईडी) या मास स्पेक्ट्रोमीटर (जीसी-एमएस) के साथ संयोजन में किया जा सकता है। यह विधि छोटे और अस्थिर अणुओं की पहचान और मात्रा निर्धारण के लिए विशेष रूप से उपयोगी है। हालाँकि, जीसी की व्यावहारिक सीमा कई जैव अणुओं के लिए रासायनिक व्युत्पन्नकरण की आवश्यकता है क्योंकि व्युत्पन्नकरण के बिना केवल अस्थिर रसायनों का विश्लेषण किया जा सकता है। ऐसे मामलों में जहां अधिक विभेदन शक्ति की आवश्यकता होती है, द्वि-आयामी क्रोमैटोग्राफी (जीसीएक्सजीसी) लागू की जा सकती है।

उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) चयापचय विश्लेषण के लिए सबसे आम पृथक्करण तकनीक के रूप में उभरी है। इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण के आगमन के साथ, एचपीएलसी को एमएस से जोड़ा गया। गैस-तरल क्रोमैटोग्राफी के विपरीत, एचपीएलसी में कम क्रोमैटोग्राफिक रिज़ॉल्यूशन होता है, लेकिन ध्रुवीय अणुओं के लिए व्युत्पन्नकरण की आवश्यकता नहीं होती है, और तरल चरण में अणुओं को अलग करता है। इसके अतिरिक्त एचपीएलसी का लाभ यह है कि जीसी विधियों की तुलना में अधिक संवेदनशीलता के साथ विश्लेषणों की विस्तृत श्रृंखला को मापा जा सकता है। केशिका वैद्युतकणसंचलन (सीई) में एचपीएलसी की तुलना में उच्च सैद्धांतिक पृथक्करण दक्षता है (हालांकि प्रति पृथक्करण के लिए बहुत अधिक समय की आवश्यकता होती है), और जीसी की तुलना में मेटाबोलाइट वर्गों की विस्तृत श्रृंखला के साथ उपयोग के लिए उपयुक्त है। जहां तक ​​सभी इलेक्ट्रोफोरेटिक तकनीकों का सवाल है, यह चार्ज किए गए विश्लेषणकर्ताओं के लिए सबसे उपयुक्त है।

पहचान के तरीके
मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस) का उपयोग गैस क्रोमैटोग्राफी, उच्च-प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी, या केशिका वैद्युतकणसंचलन द्वारा वैकल्पिक पृथक्करण के बाद मेटाबोलाइट्स की पहचान और मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जाता है। जीसी एमएस विकसित होने वाली पहली हाइफ़नेटेड तकनीक थी। पहचान अलग-अलग पैटर्न का लाभ उठाती है जिसमें टुकड़े का विश्लेषण किया जाता है। इन पैटर्न को मास स्पेक्ट्रल फ़िंगरप्रिंट के रूप में सोचा जा सकता है। ऐसे पुस्तकालय मौजूद हैं जो इस विखंडन पैटर्न के अनुसार मेटाबोलाइट की पहचान की अनुमति देते हैं. एमएस संवेदनशील भी है और बहुत विशिष्ट भी हो सकता है। ऐसी कई तकनीकें भी हैं जो एमएस को स्टैंड-अलोन तकनीक के रूप में उपयोग करती हैं: नमूना बिना किसी पूर्व पृथक्करण के सीधे मास स्पेक्ट्रोमीटर में डाला जाता है, और एमएस मेटाबोलाइट्स को अलग करने और उनका पता लगाने के लिए पर्याप्त चयनात्मकता प्रदान करता है।

मास स्पेक्ट्रोमेट्री द्वारा विश्लेषण के लिए, विश्लेषकों को चार्ज दिया जाना चाहिए और गैस चरण में स्थानांतरित किया जाना चाहिए। इलेक्ट्रॉन आयनीकरण (ईआई) जीसी पृथक्करणों पर लागू होने वाली सबसे आम आयनीकरण तकनीक है क्योंकि यह कम दबाव के लिए उत्तरदायी है। ईआई विश्लेषण का विखंडन भी उत्पन्न करता है, दोनों डेटा की जटिलता को बढ़ाते हुए संरचनात्मक जानकारी प्रदान करते हैं और संभवतः आणविक आयन को अस्पष्ट करते हैं। वायुमंडलीय-दबाव रासायनिक आयनीकरण (एपीसीआई) वायुमंडलीय दबाव तकनीक है जिसे उपरोक्त सभी पृथक्करण तकनीकों पर लागू किया जा सकता है। एपीसीआई गैस चरण आयनीकरण विधि है, जो ईएसआई की तुलना में थोड़ा अधिक आक्रामक आयनीकरण प्रदान करती है जो कम ध्रुवीय यौगिकों के लिए उपयुक्त है। इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण (ईएसआई) एलसी/एमएस में लागू सबसे आम आयनीकरण तकनीक है। यह नरम आयनीकरण आयनीकरण योग्य कार्यात्मक समूहों वाले ध्रुवीय अणुओं के लिए सबसे सफल है। आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली अन्य नरम आयनीकरण तकनीक है माध्यमिक इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण|सेकेंडरी इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण (एसईएसआई)।

2000 के दशक में, सतह-आधारित द्रव्यमान विश्लेषण में पुनरुत्थान देखा गया है, नई एमएस प्रौद्योगिकियों ने संवेदनशीलता बढ़ाने, पृष्ठभूमि को कम करने और नमूना तैयारी को कम करने पर ध्यान केंद्रित किया है। बायोफ्लुइड्स और ऊतकों से सीधे मेटाबोलाइट्स का विश्लेषण करने की क्षमता वर्तमान एमएस तकनीक को चुनौती देना जारी रखती है, मुख्यतः इन नमूनों की जटिलता द्वारा लगाई गई सीमाओं के कारण, जिनमें हजारों से दसियों हजार मेटाबोलाइट्स होते हैं। इस चुनौती से निपटने के लिए विकसित की जा रही प्रौद्योगिकियों में नैनोस्ट्रक्चर-इनिशिएटर एमएस (एनआईएमएस) शामिल है। विशोषण/आयनीकरण दृष्टिकोण जिसमें मैट्रिक्स के अनुप्रयोग की आवश्यकता नहीं होती है और इस प्रकार छोटे-अणु (यानी, मेटाबोलाइट) की पहचान की सुविधा मिलती है। MALDI का भी प्रयोग किया जाता है; हालाँकि, MALDI मैट्रिक्स का अनुप्रयोग <1000 Da पर महत्वपूर्ण पृष्ठभूमि जोड़ सकता है जो कम-द्रव्यमान सीमा (यानी, मेटाबोलाइट्स) के विश्लेषण को जटिल बनाता है। इसके अलावा, परिणामी मैट्रिक्स क्रिस्टल का आकार स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को सीमित करता है जिसे ऊतक इमेजिंग में प्राप्त किया जा सकता है। इन सीमाओं के कारण, बायोफ्लुइड्स और ऊतकों के विश्लेषण के लिए कई अन्य मैट्रिक्स-मुक्त डिसोर्प्शन/आयनीकरण दृष्टिकोण लागू किए गए हैं।

माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS) जैविक नमूनों से मेटाबोलाइट्स का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पहले मैट्रिक्स-मुक्त डिसोर्प्शन/आयनीकरण दृष्टिकोणों में से था। SIMS सतह से द्वितीयक आयनों को सोखने और उत्पन्न करने के लिए उच्च-ऊर्जा प्राथमिक आयन किरण का उपयोग करता है। SIMS का प्राथमिक लाभ इसका उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (50 एनएम जितना छोटा) है, जो MS के साथ ऊतक इमेजिंग के लिए शक्तिशाली विशेषता है। हालाँकि, SIMS को अभी तक बायोफ्लुइड्स और ऊतकों के विश्लेषण के लिए आसानी से लागू नहीं किया गया है क्योंकि इसकी 500 Da से अधिक की संवेदनशीलता और उच्च-ऊर्जा प्राथमिक आयन बीम द्वारा उत्पन्न विश्लेषण विखंडन है। विशोषण इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण (डीईएसआई) जैविक नमूनों का विश्लेषण करने के लिए मैट्रिक्स-मुक्त तकनीक है जो सतह से आयनों को सोखने के लिए चार्ज किए गए विलायक स्प्रे का उपयोग करती है। DESI के लाभ यह हैं कि किसी विशेष सतह की आवश्यकता नहीं होती है और अधिग्रहण के दौरान नमूने तक पूरी पहुंच के साथ परिवेशीय दबाव पर विश्लेषण किया जाता है। DESI की सीमा स्थानिक रिज़ॉल्यूशन है क्योंकि चार्ज किए गए विलायक स्प्रे पर ध्यान केंद्रित करना मुश्किल है। हालाँकि, लेजर एब्लेशन इलेक्ट्रोस्प्रे आयोनाइजेशन (एलएईएसआई) नामक हालिया विकास इस सीमा को दूर करने के लिए आशाजनक दृष्टिकोण है। हाल ही में, ऑर्बिट्रैप मास स्पेक्ट्रोमेट्री जैसी आयन ट्रैप तकनीकों को मेटाबोलॉमिक्स अनुसंधान पर भी लागू किया जाता है। परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी | परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी एकमात्र पता लगाने की तकनीक है जो विश्लेषकों को अलग करने पर निर्भर नहीं करती है, और इस प्रकार आगे के विश्लेषण के लिए नमूना पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। सभी प्रकार के छोटे अणु मेटाबोलाइट्स को साथ मापा जा सकता है - इस अर्थ में, एनएमआर सार्वभौमिक डिटेक्टर होने के करीब है। एनएमआर के मुख्य लाभ उच्च विश्लेषणात्मक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता और नमूना तैयार करने में आसानी हैं। व्यावहारिक रूप से, हालांकि, यह मास स्पेक्ट्रोमेट्री-आधारित तकनीकों की तुलना में अपेक्षाकृत असंवेदनशील है। यद्यपि एनएमआर और एमएस सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, आधुनिक तकनीक में पता लगाने के अन्य तरीकों का भी उपयोग किया गया है। इनमें फूरियर-परिवर्तन आयन साइक्लोट्रॉन अनुनाद शामिल है, आयन-गतिशीलता स्पेक्ट्रोमेट्री, इलेक्ट्रोकेमिकल डिटेक्शन (एचपीएलसी से युग्मित), रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और रेडियोलेबल (जब पतली परत क्रोमैटोग्राफी के साथ जोड़ा जाता है)।

सांख्यिकीय विधियाँ
मेटाबोलॉमिक्स में उत्पन्न डेटा में आमतौर पर विभिन्न परिस्थितियों में विषयों पर किए गए माप शामिल होते हैं। ये माप डिजीटल स्पेक्ट्रा, या मेटाबोलाइट सुविधाओं की सूची हो सकते हैं। अपने सरलतम रूप में, यह विषयों के अनुरूप पंक्तियों और मेटाबोलाइट विशेषताओं (या इसके विपरीत) के अनुरूप स्तंभों के साथ मैट्रिक्स उत्पन्न करता है। एनएमआर और मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा दोनों के विश्लेषण के लिए वर्तमान में कई सांख्यिकीय कार्यक्रम उपलब्ध हैं। तालिका में दिखाए गए मेटाबोलॉमिक्स डेटा के विश्लेषण के लिए बड़ी संख्या में मुफ्त सॉफ़्टवेयर पहले से ही उपलब्ध हैं। तालिका में सूचीबद्ध कुछ सांख्यिकीय उपकरण एनएमआर डेटा विश्लेषण के लिए डिज़ाइन किए गए थे जो एमएस डेटा के लिए भी उपयोगी थे। मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा के लिए, सॉफ्टवेयर उपलब्ध है जो उन अणुओं की पहचान करता है जो प्रयोगात्मक डिजाइन के आधार पर मास-ओवर-चार्ज मूल्य और कभी-कभी अवधारण समय के आधार पर विषय समूहों में भिन्न होते हैं।

एक बार मेटाबोलाइट डेटा मैट्रिक्स निर्धारित हो जाने के बाद, पैटर्न और कनेक्शन को स्पष्ट करने के लिए बिना पर्यवेक्षित डेटा कटौती तकनीकों (जैसे पीसीए) का उपयोग किया जा सकता है। कई अध्ययनों में, जिनमें दवा-विषाक्तता और कुछ रोग मॉडल का मूल्यांकन शामिल है, रुचि के मेटाबोलाइट्स को प्राथमिकता से नहीं जाना जाता है। यह बिना पर्यवेक्षित तरीकों को, जिनमें वर्ग सदस्यता की कोई पूर्व धारणा नहीं होती, लोकप्रिय पहली पसंद बनाता है। इन विधियों में सबसे आम में प्रमुख घटक विश्लेषण (पीसीए) शामिल है जो डेटासेट के आयामों को कुशलतापूर्वक कुछ तक कम कर सकता है जो सबसे बड़ी भिन्नता को समझाता है। जब निचले-आयामी पीसीए स्थान में विश्लेषण किया जाता है, तो समान चयापचय फिंगरप्रिंट वाले नमूनों के क्लस्टरिंग का पता लगाया जा सकता है। पीसीए एल्गोरिदम का लक्ष्य सभी सहसंबद्ध चर को बहुत कम संख्या में असंबद्ध चर (जिन्हें प्रमुख घटक (पीसी) कहा जाता है) से बदलना और अधिकांश जानकारी को मूल डेटासेट में बनाए रखना है।

यह क्लस्टरिंग पैटर्न को स्पष्ट कर सकती है और रोग बायोमार्कर - मेटाबोलाइट्स के निर्धारण में सहायता कर सकती है जो वर्ग सदस्यता के साथ सबसे अधिक सहसंबद्ध होते हैं।

रैखिक मॉडल आमतौर पर मेटाबोलॉमिक्स डेटा के लिए उपयोग किए जाते हैं, लेकिन बहुसंरेखता से प्रभावित होते हैं। दूसरी ओर, बहुभिन्नरूपी आँकड़े उच्च-आयामी सहसंबद्ध मेटाबोलॉमिक्स डेटा के लिए संपन्न तरीके हैं, जिनमें से सबसे लोकप्रिय है आंशिक न्यूनतम वर्ग प्रतिगमन | अव्यक्त संरचनाओं का प्रक्षेपण (पीएलएस) प्रतिगमन और इसका वर्गीकरण संस्करण पीएलएस-डीए। अन्य डेटा खनन विधियों, जैसे बेतरतीब जंगल, समर्थन वेक्टर यंत्र |सपोर्ट-वेक्टर मशीनें, आदि पर अलक्षित मेटाबोलॉमिक्स डेटा विश्लेषण के लिए अधिक ध्यान दिया जा रहा है। अविभाज्य तरीकों के मामले में, शास्त्रीय सांख्यिकी उपकरणों (जैसे छात्र का टी-टेस्ट, विचरण या मिश्रित मॉडल का विश्लेषण) का उपयोग करके चर का एक-एक करके विश्लेषण किया जाता है और केवल पर्याप्त छोटे पी-मान वाले इन्हें ही प्रासंगिक माना जाता है। हालाँकि, कई तुलनाओं की समस्या होने पर गलत खोजों को कम करने के लिए सुधार रणनीतियों का उपयोग किया जाना चाहिए क्योंकि अलक्षित मेटाबोलॉमिक्स में सीधे मेटाबोलाइट्स की कुल मात्रा को मापने के लिए कोई मानक तरीका नहीं है। बहुभिन्नरूपी विश्लेषण के लिए, मॉडल को हमेशा यह सुनिश्चित करने के लिए मान्य किया जाना चाहिए कि परिणामों को सामान्यीकृत किया जा सके।

यंत्र अधिगम और डेटा माइनिंग
मशीन लर्निंग शक्तिशाली उपकरण है जिसका उपयोग मेटाबोलॉमिक्स विश्लेषण में किया जा सकता है। हाल ही में वैज्ञानिकों ने रिटेंशन टाइम प्रेडिक्शन सॉफ्टवेयर विकसित किया है। ये उपकरण शोधकर्ताओं को मानव प्लाज्मा, पौधों के अर्क, खाद्य पदार्थ, या माइक्रोबियल संस्कृतियों जैसे जटिल मिश्रण में छोटे अणुओं की अवधारण समय की भविष्यवाणी के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता को लागू करने की अनुमति देते हैं। अवधारण समय की भविष्यवाणी तरल क्रोमैटोग्राफी में पहचान दर को बढ़ाती है और मेटाबोलॉमिक्स डेटा की बेहतर जैविक व्याख्या को जन्म दे सकती है।

मुख्य अनुप्रयोग
मेटाबोलिक प्रोफाइलिंग (विशेषकर मूत्र या रक्त प्लाज्मा नमूनों) द्वारा विषाक्तता मूल्यांकन/विष विज्ञान किसी रसायन (या रसायनों के मिश्रण) के विषाक्त अपमान के कारण होने वाले शारीरिक परिवर्तनों का पता लगाता है। कई मामलों में, देखे गए परिवर्तन विशिष्ट सिंड्रोम से संबंधित हो सकते हैं, जैसे यकृत या गुर्दे में विशिष्ट घाव। संभावित दवा उम्मीदवारों की विषाक्तता का परीक्षण करने की इच्छुक फार्मास्युटिकल कंपनियों के लिए यह विशेष रूप से प्रासंगिक है: यदि किसी यौगिक को प्रतिकूल विषाक्तता के आधार पर नैदानिक ​​​​परीक्षणों तक पहुंचने से पहले समाप्त किया जा सकता है, तो यह परीक्षणों के भारी खर्च को बचाता है।

कार्यात्मक जीनोमिक्स के लिए, जीन विलोपन या सम्मिलन जैसे आनुवंशिक हेरफेर के कारण होने वाले फेनोटाइप को निर्धारित करने के लिए मेटाबोलॉमिक्स उत्कृष्ट उपकरण हो सकता है। कभी-कभी यह अपने आप में पर्याप्त लक्ष्य हो सकता है - उदाहरण के लिए, मानव या पशु उपभोग के लिए आनुवंशिक रूप से संशोधित पौधे में किसी भी फेनोटाइपिक परिवर्तन का पता लगाना। ज्ञात जीन के विलोपन/सम्मिलन के कारण होने वाली चयापचय गड़बड़ी की तुलना करके अज्ञात जीन के कार्य की भविष्यवाणी करने की संभावना अधिक रोमांचक है। इस तरह की प्रगति सबसे अधिक संभावना Saccharomyces cerevisiae और अरेबिडोप्सिस थालियाना जैसे मॉडल जीवों से आने की है। स्क्रिप्स रिसर्च इंस्टीट्यूट के बेंजामिन क्रावेट III ने हाल ही में स्तनधारी प्रणालियों में इस तकनीक को लागू किया है, जिसमें एंजाइम फैटी एसिड एमाइड हाइड्रोलेस (एफएएएच) के लिए पहले से अस्वाभाविक अंतर्जात सब्सट्रेट के रूप में एन-एसिलटॉरिन की पहचान की गई है और अस्वाभाविक हाइड्रॉलेज़ KIAA1363 के लिए अंतर्जात सब्सट्रेट के रूप में मोनोएल्किलग्लिसरॉल ईथर (MAGEs) की पहचान की गई है।

मेटाबोलोजेनोमिक्स पूर्वानुमानित बायोसिंथेटिक जीन के साथ माइक्रोबियल-निर्यातित मेटाबोलाइट्स को सहसंबंधित करके मेटाबोलॉमिक्स और जीनोमिक्स डेटा को एकीकृत करने का नया दृष्टिकोण है। यह जैव सूचना विज्ञान-आधारित युग्मन विधि संबंधित जैवसंश्लेषण के साथ छोटे अणुओं की पहचान करने और उन पर ध्यान केंद्रित करने के लिए गैर-लक्षित चयापचय विश्लेषणों को परिष्कृत करके बड़े पैमाने पर प्राकृतिक उत्पाद खोज को सक्षम बनाती है, जिनकी पहले से ज्ञात संरचनाएं नहीं हो सकती हैं।

फ्लक्सोमिक्स मेटाबोलॉमिक्स का और विकास है। मेटाबोलॉमिक्स का नुकसान यह है कि यह उपयोगकर्ता को केवल मेटाबोलाइट्स की प्रचुरता या सांद्रता प्रदान करता है, जबकि फ्लक्सोमिक्स चयापचय प्रतिक्रियाओं की प्रतिक्रिया दर निर्धारित करता है और समय के साथ जैविक प्रणाली में मेटाबोलाइट्स का पता लगा सकता है।

पोषक तत्वविज्ञान सामान्यीकृत शब्द है जो जीनोमिक्स, ट्रांसक्रिपटॉमिक्स, प्रोटिओमिक्स और मेटाबोलॉमिक्स को मानव पोषण से जोड़ता है। सामान्य तौर पर, किसी दिए गए शरीर के तरल पदार्थ में, चयापचय उम्र, लिंग, शरीर की संरचना और आनुवंशिकी के साथ-साथ अंतर्निहित विकृति जैसे अंतर्जात कारकों से प्रभावित होता है। बड़ी आंत का माइक्रोफ्लोरा भी चयापचय प्रोफाइल का बहुत ही महत्वपूर्ण संभावित कन्फ़ाउंडर है और इसे अंतर्जात या बहिर्जात कारक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। मुख्य बहिर्जात कारक आहार और औषधियाँ हैं। फिर आहार को पोषक तत्वों और गैर-पोषक तत्वों में विभाजित किया जा सकता है। मेटाबोलोमिक्स जैविक समापन बिंदु, या मेटाबोलिक फिंगरप्रिंट निर्धारित करने का साधन है, जो किसी व्यक्ति के चयापचय पर इन सभी बलों के संतुलन को दर्शाता है। हाल की लागत में कटौती के कारण, मेटाबोलॉमिक्स अब गर्भवती कुत्तों जैसे साथी जानवरों के लिए सुलभ हो गया है।

प्लांट मेटाबोलॉमिक्स को पौधों के नमूनों के मेटाबोलाइट्स में समग्र परिवर्तनों का अध्ययन करने और फिर गहन डेटा खनन और केमोमेट्रिक विश्लेषण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। विशिष्ट मेटाबोलाइट्स को जैविक और अजैविक तनावों के जवाब में जैवसंश्लेषित पादप रक्षा प्रणालियों के घटक माना जाता है। व्यक्तिगत पौधों के बीच मेटाबोलाइट सामग्री में प्राकृतिक भिन्नता का आकलन करने के लिए हाल ही में मेटाबोलॉमिक्स दृष्टिकोण का उपयोग किया गया है, यह दृष्टिकोण फसलों की संरचना गुणवत्ता में सुधार के लिए काफी संभावनाएं रखता है।

यह भी देखें

 * एपिजेनोमिक्स
 * फ्लक्सोमिक्स
 * जीनोमिक्स
 * लिपिडोमिक्स
 * आणविक महामारी विज्ञान
 * आण्विक चिकित्सा
 * आणविक विकृति विज्ञान
 * सटीक औषधि
 * प्रोटिओमिक्स
 * ट्रांसक्रिप्टोमिक्स प्रौद्योगिकियाँ
 * XCMS ऑनलाइन, जैव सूचना विज्ञान सॉफ्टवेयर है जो मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा के सांख्यिकीय विश्लेषण के लिए डिज़ाइन किया गया है

बाहरी संबंध

 * Human Metabolome Database (HMDB)
 * METLIN
 * XCMS
 * LCMStats
 * Metabolights
 * NIH Common Fund Metabolomics Consortium
 * Metabolomics Workbench
 * Golm Metabolome Database
 * Metabolon
 * Metabolon