Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu.  Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
Tandem Mass Spectrometry
  • 00:00Vue d'ensemble
  • 00:54Principles of Tandem Mass Spectrometry
  • 03:23Instrumental Operation
  • 04:48Applications
  • 06:49Summary

ספקטרומטריית מסה טנדם

English

Diviser

Vue d'ensemble

בספקטרומטריית מסה דו-מושבית, ביומולקול של עניין מבודד מדגם ביולוגי, ולאחר מכן מתפצל למספר תת-קבצים על מנת לסייע לפרט את הרכבו ורצףו. זה מושג על ידי ספקטרומטרי מסה בסדרה. הספקטרומטר הראשון מיונן יון מדגם ומסנן של יחס מסה למטען מסוים. לאחר מכן יונים מסוננים מפוצלים ומועברים לספקטרומטר מסה שני שבו מנתחים את השברים.

וידאו זה מציג את העקרונות של ספקטרומטריית מסה דו-מושבית, כולל בחירת מסה ליחס ושיטות דיסוציאציה. כמו כן מוצג הליך כללי לניתוח תרכובת ביוכימית באמצעות ספקטרומטר מסה דו-מושבית עם דיסוציאציה הנגרמת מהתנגשות. סעיף היישומים מכסה ניטור תגובת בחירה, קביעת שינויים לאחר התרגום של חלבון, וזיהוי של רמות tacrolimus בדם.

ספקטרומטריית מסה טנדם מקשרת בין שלבים מרובים של ספקטרומטריית מסה כדי לבודד תחילה ביומולקול, ולאחר מכן לקבוע היבטים של ההרכב הכימי שלה. ביומולקולות יש מבנים גדולים ומורכבים, מה שמקשה על קביעת ההרכב המולקולרי שלהם. ספקטרומטריית מסה דו-מושבית בוחרת מולקולה של עניין שמפוצלת מאוחר יותר לאיחודי משנה מרובים, מה שיכול לעזור לפרט את הזיהוי והרצף שלה. וידאו זה יציג את המושגים של ספקטרומטריית מסה דו-מושבית, הליך כללי, וחלק מהשימושים בו בביוכימיה.

ספקטרומטריית מסה טנדם מתחילה ככלי מפרט מסה טיפוסי: עם מקור יונים, הממיר את המדגם ליונים, ומנתח מסה, המפריד בין היונים בהתבסס על יחס המסה למטען שלהם. מנתח מסה נפוץ, quadrupole, מאפשר רק יונים עם יחס מסוים דרך, בעוד האחרים להתרסק לתוך המוטות של המנגנון. המין המותר לעבור, הנקרא יון הקדמה, הוא הביומולקול של עניין. היון נע לתוך תא התנגשות, בדרך כלל מרובע אחר, שבו אנרגיה מוחלת כדי לפצל את היון בתבנית צפויה.

שברים אלה עוברים למנתח מסה אחר, כגון זמן טיסה, המפריד בין “יוני המוצר” האלה. לאחר מכן, יונים המוצר נשלחים לגלאי, כמו במכשיר MS רגיל. במקרה של חלבון לא ידוע, הספקטרום המתקבל מכיל שברים חופפים רבים, מה שהופך רצף מלא מוחלט של הביומולקול קשה לייצר. עם זאת, התבנית הספקטרלית ייחודית לחלבון נתון. תוכנת ניתוח משווה את הספקטרום למסד נתונים של רצפי פפטיד ידועים, המפרט את החלבון הלא ידוע מהשברים החופפים.

בהתאם לדגימה ומידת הפיצול הרצויה, שיטות פיצול מרובות אפשריות. דפוסי הפיצול תלויים באופן העברת האנרגיה, בכמותה ובאופן הפצתה באמצעות יון המבשר. ניתן להעביר אנרגיה באמצעות חלקיקים ניטרליים, קרינה או אלקטרונים. באמצעות אטומים ניטרליים, תהליך שנקרא דיסוציאציה כתוצאה מהתנגשות או CID, בעיקר דבק בקשר פפטיד בין חומצות האמינו, אידיאלי לזיהוי שלהם.

כעת, לאחר שיסודות הטכניקה כוסו, בואו נסתכל על ספקטרומטריית מסה דו-מושבית של CID המשמשת לחקר רכיב של מעטפות תאי חיידקים.

כמו בכל הניסויים ספקטרומטריים המוניים, הצעד הראשון הוא לייננות המדגם. עבור biomolecules, זה נעשה בדרך כלל עם desorption לייזר בסיוע מטריצה או יינון אלקטרוספרי. אות היונים המבשר ממוטב לאחר מכן על ידי כוונון של אופטיקת היונים. לאחר סיום, היעד מבודד ונבחרת שיטת הפיצול, כגון CID.

כוחו של מתח מיושם, אשר מאיץ את יון הקדמה לתוך תא ההתנגשות, משפיע על מידת הפיצול. מתח זה גדל עד המבשר הוא בערך 10% שפע לעומת יון המוצר הגבוה ביותר. ספקטרום מרובה נרכשים וממוצע עד יחס אות לרעש מספיק מושגת. מספר הסריקות הדרושות תלוי בעוצמת האות של יון המבשר המקורי ויכול לנוע בין 3 ל -300.

הניתוח בדוגמה זו, השומנים A מ Escherichia coli K-12, היו 19 שברים עיקריים לאחר CID. המבנה הכללי של ליפיד A ידוע היטב, ומאפשר לתוכנה לשחזר את ההרכב הספציפי מהדגימה.

עכשיו שבדקנו את ההליך, בואו נסתכל על כמה מהדרכים שבהן משתמשים בספקטרומטריית מסה דו-מושבית בביוכימיה.

מצב סריקה נפוץ בספקטרומטריית מסה דו-מושבית הוא ניטור תגובה נבחר, או SRM. ב- SRM, שני מנתחי המסה קבועים ליחס מסה לטעינה שנבחר, תוך התמקדות במבשר ספציפי ויוני מוצרים. בגלל רמת הרגישות הגבוהה של SRM, הספקטרום של תקני פפטיד של ריכוז ידוע ניתן להשתמש בהשוואה לזה של דגימות לא ידועות, המאפשר חלבונים של עניין להיות כימות.

חלבונים משתנים בדרך כלל לאחר התרגום, בדרך כלל על ידי תוספת של קבוצות פונקציונליות כגון קבוצות מתיל, קבוצות פוספט, או סוכרים, המכונה גליקנים. אלה חשובים בתהליכי איתות תאים, המהללים כיצד תאים מתקשרים זה עם זה. מכיוון שספקטרומטריית מסה דו-מושבית מפצלת את החלבונים לרכיבים קטנים יותר, ניתן לקבוע את מיקום ה- PTM לשבר הספציפי או אפילו לחומצת אמינו. שינויים מסוימים, כגון אצטילציה וטרימתילציה, קשה להבדיל באמצעות מסה בלבד, ולכן הפרדה כרומטוגרפית מבוצעת לפני ספקטרומטריית המסה.

ניתוחים רבים בדם החולה נמצאים בריכוזים מתחת לגבול הזיהוי לספקטרומטריית מסה טיפוסית. יתרון נוסף של SRM הוא שהוא משליך את כל יון המוצר מלבד אחד, מגביר את הרגישות ומשפר את מגבלת הזיהוי התחתונה בעד פי 100. בדוגמה זו, התרופה מדכאת החיסון, tacrolimus, ניתן לזהות ברמות של 1 ng / mL.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על ספקטרומטריית מסה דו-מושבית. וידאו זה תיאר את התיאוריה של המכשיר, עבר על הליך כללי, והסביר כמה מהדרכים שבהן הטכניקה מנוצלת כעת. תודה שצפיתם!

Procédure

בספקטרומטריית מסה דו-מושבית, ביומולקול של עניין מבודד מדגם ביולוגי, ולאחר מכן מתפצל למספר תת-קבצים על מנת לסייע לפרט את הרכבו ורצףו. זה מושג על ידי ספקטרומטרי מסה בסדרה. הספקטרומטר הראשון מיונן יון מדגם ומסנן של יחס מסה למטען מסוים. לאחר מכן יונים מסוננים מפוצלים ומועברים לספקטרומטר מסה שני שבו מנתחי?…

Divulgations

No conflicts of interest declared.

Transcription

Tandem mass spectrometry links together multiple stages of mass spectrometry to first isolate a biomolecule, and then determine aspects of its chemical makeup. Biomolecules have large, complex structures, making it difficult to determine their molecular composition. Tandem mass spectrometry selects a molecule of interest that is later fragmented into multiple subunits, which can help elucidate its identification and sequence. This video will show the concepts of tandem mass spectrometry, a general procedure, and some of its uses in biochemistry.

Tandem mass spectrometry begins as a typical mass spec instrument: with an ion source, which converts the sample into ions, and a mass analyzer, which separates the ions based on their mass-to-charge ratio. A common mass analyzer, the quadrupole, only allows ions with a specific ratio through, while the others crash into the rods of the apparatus. The species allowed through, called the precursor ion, is the biomolecule of interest. The ion moves into a collision cell, typically another quadrupole, where energy is applied to fragment the ion in a predictable pattern.

These fragments move into another mass analyzer, such as a time-of-flight, which separates these “product ions”. The product ions are then sent to the detector, as in a normal MS instrument. In the case of an unknown protein, the resulting spectrum contains numerous overlapping fragments, making a definitive complete sequence of the biomolecule difficult to generate. However, the spectral pattern is unique for a given protein. Analysis software compares the spectrum to a database of known peptide sequences, elucidating the unknown protein from the overlapping fragments.

Depending on the sample and desired degree of fragmentation, multiple fragmentation methods are possible. Fragmentation patterns depend on how the energy is transferred, its amount, and how it is distributed through the precursor ion. Energy can be transferred via neutral particles, radiation, or electrons. Using neutral atoms, a process called collision-induced dissociation or CID, primarily cleaves at the peptide bond between the amino acids, ideal for their identification.

Now that the basics of the technique have been covered, let’s look at CID tandem mass spectrometry being used to study a component of bacterial cell envelopes.

As with all mass spectrometric experiments, the first step is to ionize the sample. For biomolecules, this is typically done with matrix assisted laser desorption or electrospray ionization. The precursor ion signal is then optimized by tuning of the ion optics. Once done, the target is isolated and the fragmentation method is chosen, such as CID.

The strength of an applied voltage, which accelerates the precursor ion into the collision cell, affects the degree of fragmentation. This voltage is increased until the precursor is roughly 10% abundance compared to the highest product ion. Multiple spectra are acquired and averaged until a sufficient signal-to-noise ratio is achieved. The number of scans needed is dependent on the signal intensity of the original precursor ion and can range from 3 to 300.

The analyte in this example, lipid A from Escherichia coli K-12, had 19 major fragments after CID. Lipid A’s general structure is well known, allowing software to reconstruct the specific composition from the sample.

Now that we’ve looked the procedure, let’s look at some of the ways tandem mass spectrometry is used in biochemistry.

A common scanning mode in tandem mass spectrometry is selected reaction monitoring, or SRM. In SRM, both mass analyzers are fixed to a selected mass-to-charge ratio, focusing on specific precursor and product ions. Because of SRM’s high degree of sensitivity, the spectra of peptide standards of known concentration can be utilized and compared to that of the unknown samples, allowing proteins of interest to be quantified.

Proteins are commonly modified after translation, typically by the addition of functional groups such as methyl groups, phosphate groups, or sugars, known as glycans. These are important in cell signaling processes, elucidating how cells communicate with one another. Because tandem mass spectrometry fragments the proteins into smaller components, it is possible to determine the location of the PTM to the specific fragment or even an amino acid. Some modifications, such as acetylation and trimethylation, are difficult to differentiate by mass alone, so chromatographic separation is performed before the mass spectrometry.

Many analytes in patient’s blood are found at concentrations below the limit of detection for typical mass spectrometry. Another advantage of SRM is that it discards all but one product ion, increasing the sensitivity and enhancing the lower detection limit by up to 100 fold. In this example, the immunosuppressant drug, tacrolimus, could be detected at levels of 1 ng/mL.

You’ve just watched JoVE’s video on tandem mass spectrometry. This video described the theory of the instrument, went over a general procedure, and explained some of the ways the technique is currently being utilized. Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Tandem Mass Spectrometry. JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Vidéos Connexes