解決異構體問題:應對錶徵挑戰
根據定義,異構體是具有相同原子組成但原子鍵排列或原子在空間中的取向不同的化合物。這給組學研究的所有領域帶來了嚴峻的挑戰,因為複雜異構體材料的分離和鑑定既繁瑣又耗費資源,因為結構分離能力必須很高才能區分異構體物種。
這個異構體問題對組學研究具有重大影響,因為在表徵中留下的空白可能會減慢疾病診斷的發現和挽救生命的療法的發展。因此,顯然需要確定具有更高分辨率和通量的新分離技術,可以快速有效地分離異構體。
為什麼需要更好的表徵?
最近對 PubChem 化合物庫的一項研究發現,該庫包含超過 6000 萬種獨特的化學結構。1當提高質量分辨率以嘗試識別質量分辨率從大約 300 ppm 降低到 1 ppm 的那些化合物時,化學式可能已被很好地表徵,但該化學式中可能存在許多異構體。真正的挑戰在於確定觀察到的異構體,因為一旦達到百萬分之一,許多化學式就會被解析。圖 1 顯示了特定質量下的化合物數量,例如 C 20 H 22 N 2 O 4,其中有 10,000 種具有該化學式的不同異構體,這意味著要知道在樣品中觀察到哪些異構體非常具有挑戰性。這給使用正交數據來破譯存在哪些分子帶來了巨大壓力。
圖 1. 使用 PubChem 數據庫中超過 6000 萬個經過驗證的化學結構的異構體挑戰示例。使用越來越高的質量分辨率水平,從左到右從單位質量分辨率到百萬分之一 (ppm) 的分離,可以確定大多數化學式,但是,在一種情況下,存在超過 10,000 種化學結構變化一種化學式,C 20 H 22 N 2 O 4。在這裡,單獨的質量測量無法提供有關這些異構體的更多信息,因此需要額外的對化學結構具有選擇性的分離維度。1
案例示例:脂質
脂質結構的異質性,加上它們在體內的低濃度,意味著通常需要很長的分離策略才能將它們分開。儘管許多脂質分子具有相同的質量、電荷和物理特性,但在給定的質量或化學式下,不同的脂質類別傾向於採用基於分子類型的氣相折疊傾向的獨特結構。脂質碰撞橫截面結構的細微結構基序可以揭示有關所觀察到的化學類別的更多粒度細節,例如腦苷脂、鞘磷脂、磷脂酰膽鹼或其他脂質類別。2
脂質是生物膜的重要結構成分,作為活性分子,它們發揮著廣泛的調節和細胞信號傳導功能。不同的脂質類別有多種用途,這使得它們的分離和鑑定很重要。例如,鞘脂被認為參與了阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病等神經退行性疾病的信號通路。以高通量方式準確識別脂質譜的能力允許在不需要大量樣品製備或液相色譜 (LC) 耦合的情況下快速分離異構神經節苷脂,為重要神經退行性疾病的診斷和治療開闢了潛在的新途徑。
當前技術的局限性
使用液相色譜和質譜聯用 (LC-MS) 的傳統分離方法通常非常耗時,並且可能缺乏完全分離和區分所有關鍵異構體的分辨率。
離子淌度提供更快的分離——幾毫秒到幾秒,而不是幾分鐘到幾小時。基於分子的氣相折疊,不同類型的分子,例如脂質、肽和碳水化合物,在給定質量或化學式下,往往採用非常不同的結構。在一次運行中,可以在多組學實驗中將復雜的生物樣品分解為不同的化學類別。如果對每種分析物分別進行表徵,則離子淌度質譜法可實現相當於大量樣本數量的組學規模測量。研究人員可以非常快速地測量這兩個維度,並且使用先進的生物信息學和生物統計工具,可以更準確地查詢數據。
高分辨率離子淌度質譜 (HRIM-MS) 已成為一種分離技術,可以幫助分離異構體並提高通量。這些附加信息可以通過易於轉移的方法減少分析時間。例如,在糖生物學中,HRIM 可以識別與 LC 相同的糖基化圖譜,可在 6 小時的分離中,但僅需 2 分鐘。3
圖 2. 異構體混合物的四個示例,可使用下一代 HRIM 技術進行解析。從左到右,肽、甘油三酯、碳水化合物和神經節苷脂脂質異構體在其結構分辨率方面表現出顯著改善,與傳統分辨率 DTIMS(中圖)相比,使用基於 SLIM-IMS 技術的 HRIM(下圖)進行分析時。4圖中使用的縮寫:CCS 為碰撞截面,RA 為相對豐度,R p為單峰分辨率,R pp為雙峰分辨率,V 為谷分離百分比。
儘管異構體問題使組學研究的不同領域變得複雜,但能夠分離這些生物實體的異構體很重要。這樣做,我們將有無限的機會更好地理解和定制生物學。將新的高分辨率技術應用於藥物開發過程,使我們能夠提出更複雜的生物學問題並迅速獲得所需的答案,從而釋放下一代醫療保健方法,例如個性化醫療。
參考
1. JC 梅和 JA 麥克萊恩。 質譜中的高級多維分離:駕馭大數據洪流。分析化學卷年度評論。9,1 (2016): 387-409
2. J、May、CR Goodwin、N. Lareau、K. Leaptrot 等。分析化學86, 22107-2116 (2014)
3. MOBILion 系統,用於高通量和高分辨率全甲基化 N- 和 O- 聚醣分析的高分辨率離子遷移率質譜法(2020 年)
4. JC May 等人。結合無損離子操作結構的原型高分辨率離子遷移平台的分辨力和碰撞截面測量精度 美國質譜學會雜誌2021 32(4)
John McLean 是范德比爾特大學史蒂文森化學教授,Jody May 是范德比爾特大學化學研究助理教授,Melissa Sherman 是 MOBILion Systems 的首席執行官。披露:John McLean 是 MOBILion Systems 科學顧問委員會的成員。他證明他的貢獻在科學上是客觀的,不受他參與 SAB 的影響。