中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心朱正江研究员课题组在Nature Communications杂志在线发表了题为“Charting Unknown Metabolic Reactions by Mass Spectrometry-Resolved Stable-isotope Tracing Metabolomics”的研究论文（Nature Communications, 2025, 16: 5059）。该工作基于稳定同位素示踪代谢组学技术开发了一种同素体分布相似性网络策略——IsoNet，实现了对未知代谢物的从头阐释及新型代谢反应的发现。

代谢反应是指生命系统中的物质转换，具有重要的生物学意义，如提供能量、传递信号、参与构建生物大分子等。众多的代谢反应构成了生命体错综复杂的代谢网络。然而，目前生物体内的代谢网络是不完整的，这限制了我们对生命活动的认知。探索未知代谢反应，特别是在活体生物体内解析未知代谢物的来源和代谢过程仍然是一个巨大的挑战。针对这个问题，研究团队利用基于质谱分析的稳定同位素示踪代谢组学技术，开发了一种基于同素体分布相似性网络的策略-IsoNet. IsoNet利用具有反应关系的代谢物之间具有相似同素体分布的概念，建立已知与未知代谢物之间的反应关系，并通过原子差和参考反应实现对未知代谢物的从头阐释及新代谢反应的发现。该工作利用IsoNet策略发现了包括氧化还原、转移和水解等300多个不同反应类型的新代谢反应，实现了对未知代谢反应的系统性发现（图1）。

图1. 基于同素体分布相似性网络的新型代谢物及代谢反应鉴定策略

通过深入分析谷胱甘肽相关子网络，该工作首次发现并验证了三个谷胱甘肽相关的未知反应，包括转硫反应生成γ-谷氨酰-丝氨酰-甘氨酸、乙酰化反应生成S-乙酰化谷胱甘肽、以及氧化反应生成磺胺化谷胱甘肽。这些未知代谢反应通过特定稳定同位素示踪实验或体外实验均得到了验证。值得关注的是，谷胱甘肽通过转硫反应直接生成γ-谷氨酰-丝氨酰-甘氨酸，这一新发现表明谷胱甘肽是“硫”的重要供体。尽管目前尚不明确该反应中的巯基转移去向，考虑到硫平衡对机体的重要性，可以推测该转硫反应在生物学上具有重要意义。这些新发现的代谢反应填补了代谢网络图谱中的空白，有助于更深入地理解生命系统，并为研究代谢与生命活动之间的关系提供了新的切入点（图2）。

图2. IsoNet方法鉴定并重构谷胱甘肽相关代谢反应网络

为了方便相关领域研究者应用该工具，课题组提供了docker供学术界用户免费使用IsoNet（https://hub.docker.com/r/zhulab/isonet-r）。该工作所开发的基于同素体分布相似性网络的代谢组学数据处理方法IsoNet已经申请了国家发明专利和国家软件著作权。相关技术和软件的商业用途需要联系朱正江研究员进行授权使用。

中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心朱正江课题组毕业生高扬博士是论文的第一作者。朱正江研究员和蔡玉萍副研究员为论文的共同通讯作者。中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心为第一单位。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、上海市科委等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60258-7