使用傅里叶变换红外光预测真菌黑色素含量

黑色素是一种异质、无定形和高度抗性的色素物质，存在于所有形式的生命，^[1]如图一所示。黑色素具有高分子量，从图二中可以看出不溶性色素从浅色到深色不等^[2]。它的产生可以广泛存在于植物、细菌和真菌中，尽管它在生存和防御方面具有重要作用，例如对抗紫外线辐射，但对生物体的生长和发育不是必需的。

图1 真黑素和泛黑素合成方案。^[1]

图2 黑素体的成熟阶段（I期黑素小体的腔内小泡，II期的蛋白原纤维，III期和IV期的黑色素沉积）。^[2]

即使它的广泛存在和重要性，关于色素也有几个悬而未决的问题，其中包括其化学结构的细节，因为黑色素是不溶的，因此不允许通过标准生化技术进行标准化研究。^[3]黑色素是一组有些多样化且不确定的复杂色素。没有分子规律可以按一级、二级、三级或四级水平正确地表示或分类结构，并且由于很难区分其组成、颜色、大小、发生和功能的多样性，因此无法通过结晶度来区分。

图3 真菌黑色素的合成与组装。^[3]

真菌产生的黑色素有助于人类病原体和粮食作物的毒力，增加真菌对环境破坏的抵抗。此外，它还具有生理活性，包括抗氧化活性和消除自由基。真菌中黑色素的生物合成有三种途径：二羟基萘（DHN）途径、L-3,4-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA）途径和脓黑素途。研究真菌黑色素的一个重要原因是色素参与病原真菌的毒力。

在由产生黑色素的真菌引起的疾病中，染色母细胞真菌病最为突出，这是一种由Herpotrichiellaceae家族真菌的创伤性接种引起的皮肤和皮下组织的慢性真菌病。在巴西，该病是地方病流行地，Fonsecaea pedrosoi是引起病变的主要病原体。F. pedrosoi 是一种黑色素化真菌，其特征是通过多种代谢途径产生黑色素。最常见的途径是二羟基萘，它也存在于 Wangiella dermatitidis 和 Sporothrix schenckii 中。除DHN外，F. pedrosoi中也存在的另一种途径是L-DOPA，以及新型隐球菌。染色母细胞病的诊断是通过病变中存在毛状细胞来诊断的，毛状细胞是毒力结构，其壁因DHN黑色素的沉积而增厚[3]。众所周知，黑色素镰刀菌还具有与抗真菌药物相互作用的能力，从而对其使用具有保护作用[6]。

考虑到DHN黑色素的保护作用和毒力作用以及与传统生化技术相关的挑战，koehler等人^[4]是采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和化学计量分析来预测F. pedrosoi分离株的黑色素含量。通过利用这些技术，该研究旨在克服这些局限性，并提供一种可靠的方法来评估真菌分离物中的黑色素含量。采用基于偏最小二乘法（PLS）的多元标定法预测黑色素含量。PLS是一种将预测变量简化为更小的一组不相关分量的技术，从而能够对这些分量而不是原始数据进行最小二乘回归。与其他多变量校准方法相比，PLS的优点之一是它降低了对仪器噪声的敏感性。

与使用原始光谱相比，各种预处理方法的应用对改善PLS建模的结果做出了重大贡献。这些预处理技术经过精心挑选，以解决可能影响建模结果的光谱中不良变化。需要注意的是，预处理方法的选择和应用应在知情和考虑的情况下进行，因为随机或不适当的应用会对后续分析和最终结果产生负面影响。

通过关注光谱中更相关的区域，特别是从1800到750厘米，促进了模型的构建。这种选择消除了不包含重要化学信息或表现出最小变化的区域。选择相关区域是多变量分析模型中的常见做法。然而，即使在选定区域内，ATR-FTIR光谱仍然包含每个样品的大量信息，这些信息并非都与构建多变量校准模型时感兴趣的给定参数相关。因此，使用变量选择技术可以选择与感兴趣的结果相关的变量，从而可以制定更简单、更稳健的模型。

[1]. Pralea, I.-E.;  Moldovan, R.-C.;  Petrache, A.-M.;  Ilieș, M.;  Hegheș, S.-C.;  Ielciu, I.;  Nicoară, R.;  Moldovan, M.;  Ene, M.;  Radu, M.;  Uifălean, A.; Iuga, C.-A. From Extraction to Advanced Analytical Methods: The Challenges of Melanin Analysis Int. J. Mol. Sci. [Online], 2019.

[2]. Freitas, D. F.;  da Rocha, I. M.;  Vieira-da-Motta, O.; de Paula Santos, C., The Role of Melanin in the Biology and Ecology of Nematophagous Fungi. J. Chem. Ecol. 2021, 47 (7), 597-613.

[3]. Eisenman, H. C.; Casadevall, A., Synthesis and assembly of fungal melanin. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2012, 93 (3), 931-940.

[4]. Koehler, A.;  de Moraes, P. C.;  Heidrich, D.;  Scroferneker, M. L.;  Ferrão, M. F.; Corbellini, V. A., Prediction of melanin content of Fonsecaea pedrosoi using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and chemometrics. "Spectrochim. Acta, Part A" 2024, 310, 123945.

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