FORtschritte in der IDENTifizierung organischer Spurenstoffe: Nachhaltigkeit und Ansiedlung der FOR-IDENT Plattform

Dieses Projekt ist das dritte einer Folge von BMBF-geförderten Projekten zur Entwicklung einer Online-Plattform zur Unterstützung der Stoffidentifizierung im aquatischen Bereich. Ziel des Projektes ist es, das weitere Fortbestehen der nutzbringenden Arbeitsplattform FOR-IDENT zu sichern.
FOR-IDENT ist mittlerweile bei vielen Nutzern im Einsatz, die sich mit Target-Analytik speziell im aquatischen Bereich beschäftigen. Die Bandbreite der Anwender reicht von kleinen Laboren bis zu großen wissenschaftlichen Instituten und auch industriellen Anwendern. Somit ist FOR-IDENT zu einem wesentlichen Bestandteil der Auswertungen im Suspected- sowie Non-Target Screening geworden. Um ein Fortbestehen der Plattform auch nach der Förderung zu gewährleisten, soll in dieser Projektlaufzeit die Stabilität und die Weiterentwickelbarkeit der Software weiter verbessert werden.

Abb. 1: Allgemeine Architektur der FOR-IDENT Plattform

Open Source

Damit die Software nach Ablauf der Förderung nachhaltig genutzt werden kann, bietet es sich an, sie frei als open source zur Verfügung zu stellen. Dann könnte die scientific community die Plattform weiter entwickeln, aber (bei entsprechender Lizenz) die Software nicht kommerziell vermarkten. Dazu müssen jedoch alle benutzten Bibliotheken überprüft werden, ob diese eine Offenlegung des Quellcodes zulassen. Das dient auch als Basis, um eine mit allen Werkzeugen verträgliche Lizenz auszuwählen.

Im Berichtszeitraum wurde der Quellcode von FOR-IDENT vollständig inklusive aller verwendeten Software-Bibliotheken durch unseren Kooperationspartner von JBB analysiert. Dabei wurde die Verträglichkeit der unterschiedlichen Lizenzen zueinander überprüft, um die Software rechtssicher bereitstellen zu können. Die verwendeten Lizenzen bestimmen auch die Lizenzierungsmöglichkeiten, unter der die Software veröffentlicht werden kann. Des Weiteren wurde ein Tiefenscan der Quelldateien aller Bibliotheken durchgeführt, ob Unstimmigkeiten zwischen der jeweils deklarierten Lizenz und Lizenzangaben auf Klassen- bzw. Ressourcenebene vorliegen. Während der Analyse wurden problematische Bibliotheken ersetzt. Teilweise konnten diese Bibliotheken vollständig durch neue Eigenentwicklungen abgelöst werden und somit die lizenzrechtlichen Probleme beseitig werden. Zum Beispiel steht das Vaadin Charts Addon unter einer kommerziellen Lizenz und damit implementierte Komponenten können nur durch Erwerb der Vaadin Pro Tools geändert und kompiliert werden. Die Spektrenanzeige in FOR-IDENT wurde damit umgesetzt und könnte ohne Erwerb von Vaadin Pro Tools zukünftig nicht angepasst werden. Deshalb wurde die Spektrenanzeige als Eigenentwicklung neu erstellt und integriert.

Nach jetzigem Stand gibt es folgende Möglichkeiten für die Lizenzierung von FOR-IDENT:

Lizenzen ohne Copyleft (z. B. Apache 2.0, MIT)
Lizenzen mit schwachem Copyleft (EPL-2.0, LGPL-2.1)

Erweiterung der Software

Die FOR-IDENT Plattform ist von Anfang an modular konzipiert worden, damit im Laufe der Zeit weitere Funktionalitäten hinzukommen können. Dazu wurde eine Erweiterung der Plattform für den pflanzlichen Bereich implementiert, die PLANT-IDENT. Diese Stoffdatenbank enthält allgemein Daten zu pflanzlichen Metaboliten, deren genaue Massen sowie andere analytische Werte. Sie nutzt den RTI Index. Es wird erwartet, dass diese Datenbank die Verwendung von Non-Target Screening im Bereich der pflanzlichen Metabolomik befördern wird.

Abb. 2: Modularisierung der Hauptdatenbank

Umgesetzt wurde diese Erweiterung durch die Modularisierung der Datenbasis. Dazu wurde die Hauptdatenbank aufgeteilt und die Möglichkeit geschaffen, innerhalb der Software multiple Stoffdatenbanken zu verwenden. Die Zugriffsrechte auf die jeweilige Stoffdatenbank kann dem einzelnen Benutzer innerhalb der Benutzeradministrationsverwaltung individuell zugeteilt werden.

Abb. 3: FOR-IDENT Screenshot mit einem Transformationsbaum von Metaboliten

Publikationen

Wahmann, R.; Moser, S.; Bieber, S.; Cruzeiro, C.; Schröder, P.; Gilg, A.; Leßke, F.; Letzel, T. (2021): Untargeted Analysis of Lemna minor Metabolites: Workflow and Prioritization Strategy Comparing Highly Confident Features between Different Mass Spectrometers. Metabolites 11, 832 (12). DOI: 10.3390/metabo11120832
Abstract Volltext Open Access

Metabolomics approaches provide a vast array of analytical datasets, which require a comprehensive analytical, statistical, and biochemical workflow to reveal changes in metabolic profiles. The biological interpretation of mass spectrometric metabolomics results is still obstructed by the reliable identification of the metabolites as well as annotation and/or classification. In this work, the whole Lemna minor (common duckweed) was extracted using various solvents and analyzed utilizing polarity-extended liquid chromatography (reversed-phase liquid chromatography (RPLC)-hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC)) connected to two time-of-flight (TOF) mass spectrometer types, individually. This study (introduces and) discusses three relevant topics for the untargeted workflow: (1) A comparison study of metabolome samples was performed with an untargeted data handling workflow in two different labs with two different mass spectrometers using the same plant material type. (2) A statistical procedure was observed prioritizing significant detected features (dependent and independent of the mass spectrometer using the predictive methodology Orthogonal Partial Least Squares-Discriminant Analysis (OPLS-DA). (3) Relevant features were transferred to a prioritization tool (the FOR-IDENT platform (FI)) and were compared with the implemented compound database PLANT-IDENT (PI). This compound database is filled with relevant compounds of the Lemnaceae, Poaceae, Brassicaceae, and Nymphaceae families according to analytical criteria such as retention time (polarity and LogD (pH 7)) and accurate mass (empirical formula). Thus, an untargeted analysis was performed using the new tool as a prioritization and identification source for a hidden-target screening strategy. Consequently, forty-two compounds (amino acids, vitamins, flavonoids) could be recognized and subsequently validated in Lemna metabolic profile using reference standards. The class of flavonoids includes free aglycons and their glycosides. Further, according to our knowledge, the validated flavonoids robinetin and norwogonin were for the first time identified in the Lemna minor extracts.