SQ-KFP: A Framework for Spatially Quantitative Metabolic Flux Analysis Enables Imaging the In Vivo Absolute Metabolic Enzymatic Reaction Rate

化学 代谢物 焊剂(冶金) 代谢通量分析 定量分析(化学) 反应速率 色谱法 生物系统 同位素标记 代谢组学 代谢率 代谢途径 分析化学(期刊) 生物物理学
作者
Lunxian Liu,Y Xu,Xingpan Meng,Zhengdong Zhang,Y Xu,Xinglin Wang,Ning Lv,Zhiwei Wen,Feiyang Wang,Wei Shao,Yin Yi,Yang Pan,Zhuanghao Hou,Chengyuan Liu,Tie Shen
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (19): 14292-14305
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.6c00605
摘要

Alterations in metabolite concentrations often serve as direct drivers of phenotypic variation or disease onset. The changes in metabolite concentrations are directly dependent on the enzymatic reaction rates. However, spatially resolved imaging of the absolute metabolic enzymatic reaction rate (also known as metabolic flux) remains a critical unmet challenge in systems biology. We developed spatially quantitative kinetic flux profiling (SQ-KFP), a framework for quantitatively imaging the metabolic reaction rate, which has the potential for broad application to plant and animal tissues. This approach firstly realized the integration of quantitative flux analysis with mass spectrometry imaging, by generating isotope labeling data with coupled temporal and spatial resolution via image registration. SQ-KFP imaged the backward reaction rate of fumarase (vFUM) with spatial resolution as a proof-of-concept, revealing different reaction rate densities in petiole-lamina junctions and spatial decoupling between the metabolic reaction rate, metabolite concentration, and isotopic enrichment in leaves of Oxalis corymbosa and Medicago lupulina (validated by various detection methods). These results demonstrate that neither metabolite concentrations nor isotopic labeling values can substitute for reaction rates. Our method provides quantitative imaging of metabolic reaction rates and enables spatial flux analysis across diverse tissues and organisms.
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