Desenvolupament i aplicació de metodologies òmiques, analítiques i quimiomètriques en estudis ambientals

Abstract

En aquesta Tesi s’han dissenyat, desenvolupat i aplicat noves metodologies quimiomètriques d’anàlisi multivariant de dades que permeten l’extracció d’informació química i bioquímica en estudis òmics i ambientals a partir de dades cromatogràfiques.

S’ha estudiat la influència de diferents factors externs (estadi de creixement, tipus de cultiu, varietat i tipus de mostra) sobre el cultiu del blat mitjançant la comparació de les metodologies ANOVA-PCA i ASCA. Aquestes eines quimiomètriques s’han aplicat sobre l’anàlisi dirigida dels perfils TIC LC-MS dels metabòlits secundaris (al·leloquímics) del blat. Aquestes eines han permès interpretar els canvis dels seus metabòlits en relació als factors externs considerats. La concentració dels metabòlits al·leloquímics DIMBOA-Glc, DIMBOA, HMBOA i MBOA ha canviat de forma sistemàtica durant el creixement de la planta del blat en relació als factors estadi de creixement, tipus de mostra i la seva interacció.

S’ha desenvolupat una estratègia experimental no dirigida per a l’estudi i anàlisi d’experiments metabolòmics de mostres de llevat, utilitzant cromatografia líquida amb detecció per espectrometria de masses (LC-MS) i mètodes quimiomètrics d’anàlisi de les dades experimentals obtingudes. Aquesta estratègia ha permès avaluar l’efecte de condicions estressants sobre el cultiu del llevat (canvi de temperatura de cultiu i concentracions creixents de Cu(II)). S’han avaluat els canvis en les àrees dels perfils d’elució cromatogràfica dels metabòlits resolts per MCR-ALS. Els mètodes quimiomètrics de selecció de variables VIP-PLS i SR-PLS han permès la discriminació entre mostres de llevat control i tractades. La identificació temptativa dels metabòlits s’ha fet a partir dels seus espectres de masses resolts per MCR-ALS. S’ha proposat una interpretació biològica dels canvis observats en el metaboloma com a conseqüència dels canvis en les condicions del seu cultiu (canvis de temperatura i concentracions creixents de Cu(II)). S’han observat modificacions en el metaboloma del llevat quan aquest s’ha cultivat a 42ºC (condicions estressants), i s’ha detectat l’inici procés d’estrès oxidatiu en el llevat quan aquest s’ha cultivat a concentracions (subletals) creixents de Cu(II).

S’ha realitzat l’estudi de les correlacions existents entre les concentracions dels compostos orgànics determinades per CG-MS acumulats als sediments marins (IODP-

U1318) durant l’època del Miocè i la temperatura superficial del mar (SST) en el mateix període de temps. S’ha aplicat el mètode VIP-PLSR als perfils cromatogràfics TIC GC-MS de mostres de sediments marins per a la selecció de nous possibles marcadors paleoclimàtics dels canvis de temperatura en el període de temps investigat. Aquest estudi ha permès la diferenciació entre les aportacions dels compostos del grup de lípids d’origen marí i terrestre.

Finalment, s’han estudiat i comparat diferents mètodes quimiomètrics de selecció de variables, VIP-PLS i SR-PLS, en l’anàlisi de diversos conjunts de dades multivariants de naturalesa i complexitat diversa. En particular, aquest estudi s’ha aplicat a la selecció de variables en els següents casos: 1) selecció dels paràmetres fisicoquímics de l’aigua que influeixen més en el seu gust; 2) selecció dels compostos orgànics fòssils dels sediments marins, les concentracions dels quals (obtingudes per GC-MS) es correlacionaven més amb els canvis de temperatura superficial de l’aigua del mar en estudis paleoclimàtics; i 3) selecció dels gens, a partir d’anàlisi de xips d’ADN (microarrays), de l’organisme Daphnia magna exposat a dosis subletals de SSRI, en relació a la seva reproducció. S’ha demostrat que el mètode SR té una alta sensibilitat i especificitat. El mètode VIP també ha presentat alta sensibilitat i ha estat més rigorós per a la selecció de variables en els cromatogrames TIC, però ha demostrat baixa especificitat en la resta de conjunt de dades.

In this Thesis we designed, developed and implemented new chemometric methodologies for data multivariate analysis to enable the extraction of chemical and biochemical information from chromatographic data in omic studies.

We studied the influence of different external factors (growth stage, type of cultivation, tissue sample and variety) in wheat cultivation by comparing ANOVA-PCA and ASCA. These chemometric methods have been applied to TIC LC-MS profiles of secondary metabolites (allelochemicals) to interpret changes in relation to the considered factors.

We developed an untargeted strategy for the study and analysis of metabolic yeast profiles using liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS) and chemometric methods. This strategy allowed the evaluation of the effect of stressful conditions on yeast cultivation (temperature cultivation change and Cu(II) increasing concentrations). Changes in metabolites of the chromatographic elution profiles resolved by MCR-ALS were evaluated. PLS-DA method allowed the discrimination between treated and control yeast samples. Metabolites identification was performed from their mass spectra resolved by MCR-ALS. A biological interpretation of the observed changes in yeast metabolome was proposed as a result of cultivation condition changes.

We studied the correlations between TIC GC-MS profiles of organic compounds accumulated in marine sediments (IODP-U1318) and sea surface temperatures (SST) during the early-middle Miocene. VIP-PLS method was applied to marine sediments chromatographic profiles for the selection of possible paleoclimatic markers of SST changes.

Finally, we studied and compared VIP-PLS and SR-PLS methods for variable selection in the analysis of multivariate data sets of different nature and varying complexity: 1) physicochemical water parameters in relation to water taste; 2) fossil organic compounds (obtained by GC-MS) from marine sediments in relation to changes in SST; 3) Daphnia magna genes (obtained by DNA microarrays) exposed to sublethal doses of SSRI in relation to its reproduction.