Новый метод масс-спектрометрии по «отпечаткам пальцев» открывает путь к решению протеома

Ученые из Калтеха разработали метод, основанный на машинном обучении, который позволяет точно измерять массу отдельных частиц и молекул с помощью сложных наноразмерных устройств. Новая техника открывает возможность использования различных устройств для измерения массы и, следовательно, идентификации белков, и может проложить путь к определению последовательности полного протеома — совокупности всех белков организма.

Масс-спектрометрия — распространенный аналитический инструмент. Однако первоначальный этап ионизации образца не идеален для всех проб, особенно биологических. За последние два десятилетия стало возможным выполнять масс-спектрометрию с помощью наноэлектромеханических систем (NEMS), которая не требует предварительной ионизации образца. Это позволяет проводить измерения масс малых молекул в реальном времени. Но метод исключил использование некоторых сложных устройств NEMS для масс-спектрометрии.

Проблема с современными NEMS-устройствами:

• Для расчета массы по изменению частот колебаний устройства необходимо точно знать форму этих колебательных мод.
• В современных наноразмерных устройствах существуют вариации и несовершенства, которые могут изменить форму мод.
• У продвинутых NEMS-устройств, используемых для изучения квантовой физики, очень сложные трехмерные моды с близкими частотами.
• Точное место, куда помещается образец на устройстве, влияет на измерения частоты, но его невозможно визуализировать на устройстве размером ~1×1 микрон.

Решение: метод «отпечатков пальцев»

Исследователи разработали новую технику — «наноэлектромеханическую масс-спектрометрию по отпечаткам пальцев».

1. Частицу случайным образом помещают на устройство NEMS в условиях сверхвысокого вакуума и сверхнизкой температуры.
2. В реальном времени измеряют, как изменяются частоты нескольких колебательных мод устройства.
3. На основе этих изменений строят высокоразмерный вектор (по одному измерению на каждую моду).
4. Повторяя процесс для частиц, размещенных в различных случайных местах, создают библиотеку векторов для устройства, которую используют для обучения программного обеспечения машинного обучения.

Каждый вектор действует как «отпечаток пальца» — он имеет уникальную форму (направление), которая меняется в зависимости от места попадания частицы.

Как это работает для неизвестной массы:

«Если я возьму частицу с неизвестной массой, помещу ее куда угодно на устройство NEMS... и измерю частоты колебательных мод, это даст мне вектор, указывающий в определенном направлении», — объясняет Джон Садер, ведущий автор работы. «Если я затем сравню его со всеми векторами в базе данных и найду тот, который наиболее параллелен ему, это сравнение даст мне массу неизвестной частицы. Это просто соотношение величин двух векторов».

Преимущества и перспективы:

• Метод работает с любым устройством, включая передовые фононные кристаллические NEMS-устройства.
• Он открывает путь к нативной одно-молекулярной масс-спектрометрии, где можно изучать крупные белки и белковые комплексы по одному, в их нативной форме, не разрушая их на фрагменты.
• Метод был протестирован на измерении массы отдельных частиц белка-шаперона GroEL.

«Мы сейчас говорим о масс-спектрометрии на уровне одной молекулы; о возможности наблюдать целые белки в реальном времени, не разрезая их на части», — говорит Майкл Рукес, соавтор исследования. «Если у нас есть одно-молекулярная методика с достаточно высокой пропускной способностью, чтобы измерить миллионы белков за разумное время, то мы можем фактически понять полный протеом организмов, включая человека».