ספקטרומטריית ניידות יונים (IMS) היא השלמה מעניינת לספקטרומטריית מסה לאפיון ביומולקולות, בעיקר משום שהיא רגישה לאיזומריזם. פרוטוקול זה מתאר ניסוי IMS (IMS/IMS) דו-מושבי, המאפשר בידוד של מולקולה ויצירת פרופילי הניידות של שבריה.
אפיון מדויק של מבנים כימיים חשוב להבין את המנגנונים הביולוגיים הבסיסיים שלהם ואת המאפיינים התפקודיים שלהם. ספקטרומטריית מסה (MS) היא כלי פופולרי אך לא תמיד מספיקה כדי לחשוף לחלוטין את כל התכונות המבניות. לדוגמה, למרות פחמימות רלוונטיות מבחינה ביולוגית, האפיון שלהם מסובך על ידי רמות רבות של איזומריזם. ספקטרומטריית ניידות יונים (IMS) היא השלמה מעניינת מכיוון שהיא רגישה לקונפורציות יונים, ולכן לאיזומריזם.
יתר על כן, ההתקדמות האחרונה שיפרה באופן משמעותי את הטכניקה: הדור האחרון של מכשירי IMS מחזוריים מציע יכולות נוספות בהשוואה למכשירי IMS ליניאריים, כגון כוח פתרון מוגבר או האפשרות לבצע ניסויים בניידות יונים דו-מושבית (IMS/IMS). במהלך IMS/IMS, יון נבחר בהתבסס על ניידות היונים שלו, מקוטע וניתוח מחדש כדי לקבל מידע על ניידות יונים על שבריו. עבודה שנערכה לאחרונה הראתה כי פרופילי הניידות של הקטעים הכלולים בנתוני IMS/IMS כאלה יכולים לשמש כטביעת אצבע של גליקן מסוים וניתן להשתמש בהם באסטרטגיית רשת מולקולרית כדי לארגן ערכות נתונים של גליקומוניקה באופן רלוונטי מבחינה מבנית.
מטרת פרוטוקול זה היא אפוא לתאר כיצד ליצור נתוני IMS/IMS, מהכנה מדגמית לכיול חתך הרוחב הסופי של התנגשות (CCS) של ממד ניידות היונים המניב ספקטרום ניתן לשחזור. אם ניקח את הדוגמה של גליקאן נציג אחד, פרוטוקול זה יראה כיצד לבנות רצף בקרה של IMS /IMS במכשיר IMS מחזורי, כיצד להסביר את רצף הבקרה הזה כדי לתרגם את זמן ההגעה של IMS לזמן הסחף (כלומר, זמן ההפרדה האפקטיבי החל על היונים), וכיצד לחלץ את פרטי הניידות הרלוונטיים מהנתונים הגולמיים. פרוטוקול זה נועד להסביר בבירור את הנקודות הקריטיות של ניסוי IMS/IMS ובכך לסייע למשתמשי IMS מחזוריים חדשים לבצע רכישות פשוטות וניתנות לשחזור.
האפיון הכימי המלא של ביומולקולות הוא המפתח להבנת התכונות הביולוגיות והתפקודיות הבסיסיות שלהם. לשם כך, מדעים “omics” התפתחו בשנים האחרונות, במטרה לאפיין בקנה מידה גדול של מבנים כימיים בריכוזים ביולוגיים. בפרוטאומיקה ובמטבולומיקה, טרשת נפוצה הפכה לכלי ליבה כדי לפענח את ההטרוגניות המבנית שנמצאת במדיה הביולוגית – במיוחד הודות לרגישותה וליכולתה לספק מידע מבני באמצעות MS דו-מושבי (MS/MS). באסטרטגיות MS/MS, יון נבחר על פי המסה שלו, לאחר מכן מקוטע, ולבסוף, המסות של שבריו נרכשים כדי ליצור טביעת אצבע של המולקולה. ספקטרום MS/MS יכול לשמש, בפרט, כדי להתאים מסדי נתונים ספקטרליים 1,2, או לשחזר באופן זמני את מבני האב3,4. תחת ההנחה כי ספקטרום דומה שייך לתרכובות דומות, נתוני MS / MS יכולים לשמש גם לבניית רשתות מולקולריות (MNs) המחברות מינים קשורים באמצעות ציון דמיון 5,6.
עם זאת, בגלל המאפיין הטבוע של טרשת נפוצה כדי לזהות את יחס המסה למטען (m/z) של יונים, הטכניקה עיוורת למספר תכונות מבניות הנופלות בטווח של איזומריזם (סטריאו).. לדוגמה, פחמימות עשויות מכמה תתי-יחידות חד-יחידות חד-צדדיות, שרבות מהן סטריאואיזומרים או אפילו אפימרים (למשל, Glc לעומת Gal או Glc vs. Man). יחידות משנה אלה מקושרות על ידי קשרים גליקוסידיים, אשר יכולים להיות שונים על ידי המיקום של ההצמדה (regioisomerism) ואת התצורה הסטרית של הפחמן האנומרי (אנומריזם). מאפיינים אלה מקשים על טרשת נפוצה עצמאית להבחין בין איזומרים פחמימות7, ורק regioisomerism ניתן לטפל באמצעות שיטות הפעלה אנרגיה גבוהה8,9,10. למרות נגזרות היא אפשרות לשבש את השתוות של קבוצות סטריאוטיאוסומריות11, זה דורש הכנה מדגם נרחבת. אפשרות נוספת, פשוטה יותר, היא לשייך טרשת נפוצה עם ממד אנליטי הרגיש לאיזומריזם, כגון IMS.
מכיוון שפרוטוקול זה מיועד למשתמשים שכבר מכירים את המושגים הבסיסיים של IMS, ומכיוון שביקורות מפורטות זמינות במקומות אחרים12,13, רק סקירה קצרה של עקרונות IMS ניתנת כאן. IMS היא שיטת הפרדה של שלב הגז המסתמכת על אינטראקציה של יונים עם גז חוצץ ושדה חשמלי, ובסופו של דבר מפרידה יונים על פי הקונפורמציות של שלב הגז שלהם. עקרונות שונים של IMS בשילוב טרשת נפוצה ניתן למצוא על מכשירים מסחריים: חלקם פועלים בשדות חשמליים גבוהים ונמוכים לסירוגין (IMS אסימטריים שדה, FAIMS), בעוד שרובם פועלים בתוך מגבלת השדה הנמוך – בעיקר IMS צינור להיסחף (DTIMS, שדה חשמלי יורד באופן ליניארי), IMS גל נסיעה (TWIMS, גלים פוטנציאליים סימטריים) ו- IMS לכודים (TIMS, זרימה גבוהה של יונים לוכדים גז חוצץ נגד שדות חשמליים)13 . שיטות השדה הנמוך מאפשרות גישה למה שמכונה CCS, מאפיין של זוג היונים-גז המייצג את פני השטח (ב- Å2 או nm2) של היון המקיים אינטראקציה עם גז המאגר במהלך ההפרדה. CCS הוא תיאורטית בלתי תלוי במכשיר ולכן הוא שימושי כדי ליצור נתונים שניתן לשחזר בין מעבדות שונות14. הפרדות ניידות יונים יכולות להיות מושפעות מפרמטרים שונים, ובמיוחד מתנודות של לחץ הגז וטמפרטורת הגז בתא הניידות. כיול CCS הוא דרך לתקן זאת, שכן הן הכיול והן מינים של עניין יושפעו באופן דומה13. עם זאת, חובה להתקין את המכשיר בחדר מבוקר טמפרטורה ויש לו מערכת בקרת לחץ גז אמינה.
התפתחות מעניינת של IMS היא IMS / IMS, שהוצגה לראשונה בשנת 2006 על ידי הקבוצה של קלמר כאנלוגית של MS / MS15,16. ב- IMS / IMS, יון של עניין מבודד באופן סלקטיבי בהתבסס על ניידות היונים שלו; לאחר מכן הוא מופעל (עד לפיצול אפשרי), ומבוצע ניתוח IMS חדש של היון או הקטעים המופעלים. בעיצוב האינסטרומנטלי הראשון, שני תאי IMS הוכנסו לסדרה, מופרדים על ידי משפך יונים שבו עמדה ההפעלה. מאז, למרות שהוצעו מספר הגדרות IMS/IMS (לסקירה, ראו אלדריד ותלסינו17), ספקטרומטר המסה המסחרי הראשון עם יכולת IMS/IMS הפך לזמין רק בשנת 201918. מכשיר זה שיפר באופן משמעותי את הרעיון הראשוני על ידי שילובו עם פריצת דרך טכנולוגית נוספת: עיצוב מחזורי של תא IMS.
תא ה- IMS המחזורי מאפשר תיאורטית להגדיל כמעט לאין שיעור את אורך נתיב הסחף, ובכך את כוח הפענוח של המכשיר19. זה הושג באמצעות גיאומטריה מכשיר מסוים, שבו תא TWIMS מחזורי ממוקם אורתוגנלית לציר האופטי היונים הראשי. אזור מערך רב-תכליתי בכניסה לתא IMS מאפשר שליטה בכיוון נתיב היון: (i) שליחת יונים לצדדים להפרדת IMS, (ii) קדימה לזיהוי MS, או (iii) אחורה מתא ה- IMS לאחסון בתא סידור מראש. מתא אחסון זה מראש, ניתן להפעיל את היונים ואת הקטעים שהוכנסו מחדש בתא IMS למדידת ניידות יונים, גישה ששימשה בהצלחה לאפיון stereoisomers20. בסופו של דבר, הנתונים שנאספו מכילים ניידות יונים ומידע m/z עבור המבשר ורסיסיו.
בפרסום שפורסם לאחרונה שהשתמש בעיצוב מחזורי זה לניתוחי גליקנים (Ollivier et al.21), הראינו כי פרופיל הניידות של השברים הכלולים בנתוני IMS / IMS כאלה פועל כטביעת אצבע של ביומולקולה שניתן להשתמש בה באסטרטגיית רשת מולקולרית. הרשת שנוצרה, הנקראת IM-MN, הובילה לארגון ערכות נתונים של גליקומוניקה באופן רלוונטי מבחינה מבנית, ואילו הרשת שנבנתה אך ורק מנתוני MS/MS (MS-MN) חשפה מידע מועט. כדי להשלים פרסום זה ולסייע למשתמשי IMS מחזוריים ליישם זרימת עבודה זו, פרוטוקול זה מספק תיאור מלא של הפרוטוקול המשמש לאיסוף הנתונים. פרוטוקול זה מתמקד רק ביצירת נתוני IMS/IMS שבהם משתמשים יכולים להשתמש כדי לבנות רשתות IM-MN (ראה21) – או עבור כל יישום אחר לפי בחירתם. בניית IM-MN לא תיחשב כאן, שכן פרוטוקולים עבור רשת מולקולרית כבר זמינים22. הנקודות המכריעות שיש לעקוב אחריהן כדי ליצור רכישות IMS/IMS יקרות ערך הניתנות לשחזור מודגשות. לוקח את הדוגמה של אחד oligosaccharides נחקר על ידי אוליבייה ואח ‘. 21, השלבים הבאים מפורטים: (i) הכנת מדגם, (ii) כוונון של מכשיר IMS מחזורי, (iii) איסוף שיא אוטומטי של הנתונים, ו – (iv) כיול CCS.
ה- SELECT SERIES Cyclic IMS הוא כלי רב עוצמה המאפשר בחירת אוכלוסיית יונים מוגדרת – של ניידות m/z ויונים נתונה – ללא צורך בהפרדה כרומטוגרפית במעלה הזרם. המכשיר מאפשר ליצור מפת פיצול דו-שנתית של אוכלוסיית יונים זו, שממנה ניתן לחלץ הן MS / MS והן ספקטרום IMS / IMS / IMS. עם זאת, המשתמש חייב לציין מספר נקודות קריט?…
The authors have nothing to disclose.
S.O. מודה לסוכנות המחקר הלאומית הצרפתית על מימון הדוקטורט שלו (הענק ANR-18-CE29-0006).
33-α-L- plus 23-α-L-Arabinofuranosyl-xylotetraose (XA3XX/XA2XX) mixture | Megazyme Ltd., Wicklow, Ireland | O-XAXXMIX | XA2XX + XA3XX mixture |
33-α-L-Arabinofuranosyl-xylotetraose (XA3XX) | Megazyme Ltd., Wicklow, Ireland | O-XA3XX | Pure XA3XX standard |
Eppendorf Safe-Lock Tubes, 1.5 mL, Eppendorf Quality, colorless, 1,000 tubes | Eppendorf, Hamburg, Germany | 0030120086 | Used to prepare the carbohydrate stock solution and dilution |
FALCON 50 mL Polypropylene Conical Tube 30 x 115 mm | Corning Science México S.A. de C.V., Reynosa, Tamaulipas, Mexico | 352070 | Used to prepare the aqueous stock solution of 100 mM LiCl |
Lithium Chloride (ACS reagent, ≥99 %) | Sigma-Aldrich Inc., Saint Quentin Fallavier, France | 310468 | Used to dope the sample with lithium |
Major Mix IMS/Tof Calibration Kit | Waters Corp., Wilmslow, UK | 186008113 | Calibration solution for MS and IMS |
MassLynx 4.2 SCN1016 Release 6 (Waters Embedded Analyser Platform for Cyclic IMS 2.9.1 Release 9) | Waters Corp., Wilmslow, UK | 721022377 | Cyclic IMS vendor software for instrument control and data processing |
Methanol for HPLC PLUS Gradient grade | Carlo-Erba Reagents, Val de Reuil, France | 412383 | High-purity solvent |
MS Leucine Enkephaline Kit | Waters Corp., Wilmslow, UK | 700002456 | Reference compound used for tuning of the mass spectrometer |
SCHOTT DURAN 100 mL borosilicate glass bottle | VWR INTERNATIONAL, Radnor, Pennsylvania, US | 218012458 | Used to prepare the solution of 500 µM LiCl in 50:50 MeOH/Water |
SELECT SERIES Cyclic IMS | Waters Corp., Wilmslow, UK | 186009432 | Ion mobility-mass spectrometer equipped with a cylic IMS cell |
Website: http://mzmine.github.io/ | MZmine Development Team | – | Link to download the MZmine software |
Website: https://github.com/siollivier/IM-MN | INRAE, UR BIA, BIBS Facility, Nantes, France | – | Link to an in-house R script containing a CCS calibration function |