突破代謝體學與流體學研究困境的關鍵—專訪法國植物代謝體先驅 Dominique Rolin 博士

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來自法國波爾多大學(University of Bordeaux)的 Dominique Rolin 博士,在逐漸興起的代謝體學(metabolomics)與流體學(fluxomics)已耕耘多年,成就斐然,本次基因線上獨家專訪 Dr. Rolin,分享他在法國推動相關研究進展的獨到見解。 

Dominique Rolin 博士為法國代謝體學與流體學組織成立的重要推手,於雷恩大學植物生理學取得博士、擔任波爾多大學植物生理學與生物技術系教授,研究領域專攻植物的蛋白質體學、代謝體學與流體學等,2008 年起擔任波爾多功能基因體學中心主任,並被譽為植物代謝體學研究的先驅,同時也是 MetaboHUB 提案的全權管理人。

從定序開始的體學熱潮,不斷延燒

17 世紀顯微鏡的問世,為科學家開啟了一扇窗,然而當時的鏡片尚無法清楚呈現微觀世界,工具上的限制也阻攔了生物學的發展近一個世紀。直到玻璃工藝進步,改善顯微鏡的鏡片,才讓科學家能清楚窺探細胞的世界,顯微鏡的改良與切片技術讓生物學的發展大躍進,直到19 世紀末發展出了細胞學說,為生物學發展的重要里程碑。到了 1980 年代,PCR 技術的興起,以及後續一連串定序熱潮,又將生物學的進展推向另一個高峰。「Sequencing, is on the way!」Dr. Rolin 興奮的說。當科學家能夠定出序列、定義基因後,研究爆發性的成長。除了積極定序各個物種以外,對於每個基因所表現出的蛋白質以及其被賦予的功能也深入專研,因此造就了蛋白質體學的發展。1988 年劍橋大學的 Steve Oliver 教授提出「不僅是蛋白質,其他代謝產物也有分析價值」的概念後,各種體學(omics)研究逐漸興盛。

從基因體學、轉錄體學、蛋白質體學到代謝體學與流體學。當科學家逐漸抽絲剝繭、由巨觀推進到微觀世界,生物學的研究已不僅僅專注在基因的層次、不只是用北方墨點法或是西方墨點法看單個基因跟蛋白質,而必須觀察、分析、研究更細微之處。Dr. Rolin 表示,基因體最單純,僅由四種含氮鹼基組成,蛋白質則有大小、極性的差異,相較之下略顯複雜,而代謝體的變化更多、已知的更少、交互作用繁複,研究上也更具挑戰性,因此,代謝體學分析的方法就相當重要。

代謝體複雜多變,資訊分析成關鍵

Dr. Rolin 強調,體學的研究絕大部分仰賴分析與比對,因此建置完整且品質良好的資料庫為首要任務。以 京都基因與基因组百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)為例,從定序開始到現在,短短幾年已累積 5000 多種生物體被定序建檔,代謝體的研究則相對新穎。目前代謝體學的相關研究技術還有很多改善空間,舉例來說,研究中最有價值的部分不外乎是「定性」與「定量」。透過已熟練的實驗方法,可以輕易取得分子量資料,然而知道是什麼分子,比僅有分子量要來的有利許多。而生物學家在分析資料時,並不能僅局限於「這邊有、那沒有」的純比較層次,而是必須要知道「這邊有,有多少?」當能夠準確的定量後,就進入了流體學的範疇,可以進行更細微、更完整的研究。

在定性方面,儀器的敏感度、解析度等為成功關鍵,目前超極致液相層析串聯質譜儀(ultra performance liquid chromatography, UPLC)搭配傅立葉轉換式質譜儀 (fourier-transform ion cyclotron resonance, FT-ICR)雖然價格昂貴,卻有十分強的分辨率,可以精準解析分子。UPLC 比起一般液相層析有更高的分辨率,而且可以縮短實驗時間。FT-ICR 對質量解析更加有效,可精準區分出目標分子。定量方面則是尚無公認的好方法,雖然質譜儀帶有定量功能,但目前的實驗方法還是定性為主,仍需研究開發可與樣品一同進行實驗操作的標記物,才能降低定量難度,提升精準度。

Dr. Rolin 列舉目前常用於代謝體學研究的實驗儀器,如核磁共振(nuclear magnetic resonance , NMR)、 氣相層析法配上質譜儀(gas chromatography–mass spectrometry, GC-MS)、液相層析法配上質譜(liquid chromatography–mass spectrometry, LC-MS)等,每項儀器都有不同的限制:

  • NMR 可以取得有機化合物的精確化學結構,但其敏感度較低,有時候目標偵測的訊號可能只來自少量細胞甚至是細胞核,要在眾多雜訊中鎖定目標訊號十分困難。
  • 色層分析技術搭配質譜儀,如 GC-MS 及 LC-MS,可以有效且快速的獲得多種代謝體,單次約可有 100-200 多種,然而卻只能獲得各種代謝體的相對比例,較難取得絕對定量。
  • 每台機器都有不同的偏誤、同一種分子在不同儀器有不同裂解的方式,所以每種機型都需要建立屬於自己的資料庫,這對倚靠分析、比對的代謝體研究,無疑是一大考驗。

Dr. Rolin 也強調,不僅是機器資料庫的問題,每個資料庫都有優缺點,因此要不斷比較不同的資料庫,才能得到更全面的訊息。而要收集廣大的資料以利得知真相,也成為研究中的一大挑戰。

推動流程、資訊標準化,建立研究「共同語言」 

Dr. Rolin 強調,代謝體學可以應用在各個領域,而在同一個領域的研究上,「大家需要共同的語言」,資料庫的普及、統一化便是建立共同語言的開端,也是現在尚待解決的難題之一。透過同水平的技術、相符的解讀方式,同時提升工具與技術,才能將各方研究成果發揮最大的價值。目前科學家也逐步建置人類代謝體數據庫(Human Metabolome Database , HMDB),然而由於代謝體的複雜性較高,需要更新的科技來支持,因此研究方法與儀器技術的改良需同時並進。如前述所言,受限於分析儀器的偏誤,使得資料庫無法統一,難以整合各界資源,阻礙相關研究的進展,對此,Dr. Rolin 認為「標準化與合作」是最佳解決之道,因此在法國與相關合作機構協力推動代謝體學的研究標準化,嘗試讓更多的專家參與,建立研究過程及資訊紀錄的 SOP,紀錄包含 NMR、GC-MS 及 LC-MS 等各種資料,並利用所建置的 SOP,讓合作單位用不同的儀器,對同樣的樣本進行分析與紀錄,藉此建置適用於不同儀器間的資料庫,同時也將確效、品管的概念納入體系中。

眾人同心,其利斷金 ── 合作才是推動體學發展的關鍵

Dr. Rolin 以不同時期的工業革命做比喻,過往的工業時代,權力過度集中使得各種發展掌握在少數人手中,後續因為通訊設備的普及,從書信、電報、電話直到網路的發明,縮短人與人之間以及世界各地的連結,使訊息傳遞更緊密快速,徹底打破了過往的權力金字塔。「這是一個通力合作的時代。」在代謝體學的研究也是一樣,Dr. Rolin 提及當初在國內推動成立法國代謝體學與流體學組織(French-speaking Network of Metabolomics and Fluxomics),採用 network 一詞,便是期望透過組織,促進相關專家的緊密合作,讓生物學家、核磁共振專家、統計學家、資訊專家、化學家都能各司其職,找到適合的定位,才能促進該領域研究更上一層樓。

採訪 / Thomas Huang、Alma Wu

撰文 / Alma Wu

審稿 / Cheng-Chih Richard Hsu