29.07.2020 - National Institute of Standards and Technology (NIST)

NIST erweitert Datenbank, die hilft, unbekannte Verbindungen in Milch zu identifizieren

Haben Sie Milch? Die meisten Menschen haben die berühmten Werbespots mit Prominenten gesehen, die die Bedeutung von Trinkmilch für den Aufbau starker Knochen hervorheben. Die Forschung zeigt, dass Milch noch andere Vorteile hat, insbesondere für Babys, wie z.B. die Unterstützung ihres Wachstums und die Stärkung ihres Immunsystems. Aber die Wissenschaftler verstehen immer noch nicht genau, wie Milch diese Dinge bewirkt.

Die Lösung dieses Rätsels beginnt mit der Identifizierung der Verbindungen in der Milch. Um diese Bemühungen zu unterstützen, haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) kürzlich die Größe einer Referenzbibliothek verdoppelt, die Beispiele für eine bestimmte Art von Kohlenhydraten enthält, die in Milch von Menschen und mehreren anderen Tieren gefunden wurden. Die Erweiterung der Bibliothek wird den Wissenschaftlern helfen, die unbekannten Verbindungen in ihren eigenen Milchproben zu identifizieren. Die Forscher veröffentlichten ihre neuen Erkenntnisse in Analytical Chemistry

Die Zusammensetzung der Milch variiert von Mutter zu Mutter, aber im Allgemeinen enthält menschliche Milch 87% Wasser und 13% Nährstoffe, darunter Fette, Proteine und Kohlenhydrate. Milchforscher konzentrieren sich oft auf eine Art von Kohlenhydraten, die als Oligosaccharide bezeichnet werden, einen der vielen verschiedenen Zucker in der Milch. Von diesen Zuckern ist bekannt, dass sie eine biologische Wirkung haben, z.B. als Energielieferant für heranwachsende Babys oder als Beitrag zur Organentwicklung.

"Babys können keine feste Nahrung kauen oder schlucken, so dass sie für ihr Wachstum stark von Milch abhängig sind. Es ist ein Wundermittel", sagte die NIST-Chemikerin Connie Remoroza.

Einer der Hauptgründe, warum Wissenschaftler Oligosaccharide analysieren, ist, dass sie, wenn sie feststellen können, welche Oligosaccharide vorhanden sind, beginnen können zu verstehen, wie Oligosaccharide Zellen, Gewebe und biologische Prozesse beeinflussen.

Die erste Version der Humanmilch-Oligosaccharid (HMO)-Bibliothek, die 2018 veröffentlicht wurde, bestand aus 74 Oligosacchariden. Um sie aufzubauen, analysierten Remoroza und ihre Kollegen Komponenten in einer Milchprobe aus dem NIST Standard Reference Material (SRM) 1953. Sie benutzten einen Prozess namens Flüssigkeitschromatographie, um die Probe in ihre feineren Bestandteile zu trennen, und ein Instrument namens Massenspektrometer, um chemische Fingerabdrücke, so genannte Massenspektren, zu erstellen.

Michael Power holt eine Probe der Milch des Afrikanischen Löwen aus einer Gefriertruhe. Remoroza bringt die Probe zurück ins Labor des NIST, wo sie die Vielzahl der in der Milch enthaltenen komplexen Zucker, die so genannten Oligosaccharide, identifizieren wird. Diese Zucker haben eine kompliziertere Molekularstruktur als die einfachen Zucker, die in den meisten Lebensmitteln vorkommen, und sie liefern mehr als nur Kalorien. Einige spielen eine Rolle bei der Immunität, während andere die Entwicklung des Gehirns fördern.

Das Team verglich dann diese unbekannten Spektren mit einer riesigen Datenbank von 1,3 Millionen Spektren von 31.000 Verbindungen, der so genannten NIST-Tandem-Massenspektralbibliothek. Sie ist Teil der größeren NIST-Massenspektralbibliothek, die vor kurzem in einer neuen Version namens NIST20 aktualisiert wurde.

Das Team identifizierte weitere 80 neue Oligosaccharide, womit sich die Gesamtzahl auf 154 erhöht. Die neue HMO-Bibliothek verwendete auch Milchproben von SRM 1954, Organische Kontaminanten in angereicherter menschlicher Milch.

Die Forscher waren auch in der Lage, neue Verbindungen zu identifizieren, über die noch nie zuvor in Milch berichtet worden war, wie z.B. eine Art von Oligosaccharid, die 15 Monosaccharid-Einheiten enthielt, welche die Bausteine von Kohlenhydraten sind.

Nachdem die Rohdaten mittels Massenspektrometrie und Flüssigchromatographie gewonnen wurden, werden sie verarbeitet, um die Massenspektren zu extrahieren und die unbekannten Verbindungen zu identifizieren. "Die Identifizierung unbekannter Verbindungen hängt von den modernsten Methoden ab. Viele Oligosaccharide sind heute aufgrund der verbesserten Empfindlichkeit der Massenspektrometer in Verbindung mit der NIST-Suchsoftware bekannt", so Remoroza.

Sobald die unbekannten Verbindungen identifiziert sind, werden sie in die Milchbibliothek aufgenommen.

Abgesehen von der menschlichen Milch haben Remoroza und ihre Kollegen auch die Erfassung anderer Arten von Säugetiermilch erweitert. Dank der Zusammenarbeit mit dem Smithsonian's National Zoo and Conservation Biology Institute und dem philippinischen Carabao Center analysierten sie vier verschiedene nicht-menschliche Proben.

Das Smithsonian stellte eine Probe eines afrikanischen Löwen zur Verfügung, und das philippinische Carabao Center lieferte Milch von einer Saanen-Ziege und asiatischen Wasserbüffeln. Kuhmilchproben stammten von den NIST-eigenen SRMs 1549a und 1849a. Die NIST-Forscher identifizierten 90 Oligosaccharide aus diesen Proben, von denen 25 auch in menschlicher Milch gefunden wurden.

Frühere Forschungen wurden an diesen Tierproben durchgeführt, aber es wurde nur über relativ wenige Oligosaccharide berichtet. Dank der Entwicklung neuer Instrumente, besserer Methoden zur Isolierung von Oligosacchariden und der neuen HMO-Bibliothek können Wissenschaftler jetzt mehr Oligosaccharide in ihren Proben identifizieren.

"Viele Forscher werden hoffentlich in der Lage sein, die NIST-Milchmassenspektren-Bibliothek nützlich für die Analyse ihrer Proben zu finden", sagte Remoroza.

Diese Milchbibliothek ist besonders für Hersteller von Säuglingsanfangsnahrung nützlich. "Wissenschaftler sind daran interessiert, die Oligosaccharide in der Milch zu identifizieren, weil sie feststellen wollen, ob diese der Säuglingsanfangsnahrung zugesetzt werden können, so dass Babys nun die wesentlichen Nährstoffe erhalten können", sagte Remoroza.

Die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen. Die Forscher am NIST werden weiterhin die verschiedenen Arten von Oligosacchariden in menschlicher Milch identifizieren und ihre Sammlung von nichtmenschlicher Säugetiermilch erweitern. Bald werden sie Milch von schwarzen und weißen Schweinen (in Zusammenarbeit mit der Mariano Marcos State University auf den Philippinen), Rhesusaffen (mit der University of Wisconsin) und Delphinen (mit der National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) analysieren.

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