Нидерландским физикам удалось создать масс-спектрометр, который может напрямую измерять массу отдельных молекул. Ранее масс-спектрометры работали с молекулярными ансамблями, что приводило к ряду трудностей в измерении больших молекул: перекрытиям спектра и дополнительным сложностям в измерении заряда ионизованных молекул. Новый метод позволяет проанализировать каждую молекулу в отдельности и избежать этих проблем. В ближайшее время изобретение получит широкое распространение в генной терапии, пишут ученые в журнале Nature Methods.
Траектория нейтральной частицы (атома или молекулы) не подвержена действию электрического и магнитного поля. А вот если отобрать у нее несколько электронов, частица обретет заряд, а ее траектория в поле начнет изгибаться. Характер изгиба траектории в поле будет определяться массой частицы и ее зарядом. Физики измеряют ее отклонение от прямолинейного движения, из которого легко получить отношение массы частицы к ее заряду. Отсюда — если известен заряд — физики находят массу молекулы или атома. Такой метод называется масс-спектрометрией.
В свою очередь, масс-спектрометрия делится на множество вариантов. Почти все они основаны на нахождении массы молекулы и ее составных частей из графика отсчетов относительно отношения массы к заряду. Проблема заключается в том, что для больших молекул (например, белковых) получить данные о заряде после ионизации не так просто. Ученые анализируют последовательные пики измерения множества молекул для нахождения нужных данных о заряде и только затем определяют массу молекулы.
Более того, самые незначительные структурные изменения молекул приводят к широкому разбросу в спектре масс и провоцируют нежелательные перекрытия, которые негативно влияют на точность измерения. Решение такой проблемы — измерение каждой молекулы отдельно.
Группа физиков во главе с Тобиасом Вернером (Tobias P. Wörner) из Утрехтского университета решила эту задачу. Ученые продемонстрировали одночастичную масс-спектрометрию с детектированием заряда на основе орбитрапа — электрода, вокруг которого вращаются ионы. Орбитрап — не новое устройство, однако раньше его использовали только для многочастичных измерений. В новой работе молекулы попадают на орбитрап по одной.
Принципиальная схема масс-спектрометра
Tobias P. Wörner et al./ Nature, 2020
Чувствительность современных орбитрапов позволяет анализировать тысячи единичных молекул за несколько минут. Сигнал, детектируемый орбитрапом, несет в себе сразу два показателя: амплитуда связана с зарядом иона, а частота определяет отношение массы иона к заряду. Сигнал с орбитрапа отправляют в компьютер, где проводят его анализ. Физикам удалось создать программу, способную обрабатывать сигнал орбитрапа и выдавать на выход точную массу молекулы. Ученые провели несколько измерений с помощью новой установки и получили результаты, которые хорошо согласуются с предыдущими исследованиями.
Так у ученых появилась возможность рассмотреть каждую молекулу отдельно, а не изучать спектр ансамбля, как это было раньше. Это особенно важно для исследования крупных макромолекулярных соединений, измерения которых на других масс-спектрометрах будут давать погрешность. С помощью одночастичной масс-спектрометрии можно анализировать огромное количество различных комплексов: антитела, рибосомы, белки и вирусы.
Авторы работы уверены, что их метод найдет широкое применение в генной терапии, где точные измерения играют ключевую роль: главная задача генной терапии — правильно добавить ген в безвредый вирус, который доставит его к нужной клетке. Этот ген должен быть строго определенного размера для того, чтобы вирус смог поглотить его правильно. С помощью нового вида масс-спектрометрии можно понять, поглощен ли ген вирусом или какие именно части он поглотил.
Даже без метода одночастичной масс-спектрометрии генная терапия уже помогла мышам с «деменцией боксеров», а генную терапию против гемофилии А назвали безопасной и эффективной в долгосрочной перспективе.
Олег Макаров