IONTOVÁ CYKLOTRONOVÁ REZONANCE S FOURIEROVOU TRANSFORMACÍ (FT-ICR MS) A JEJÍ VYUŽITÍ JAKO NEJFLEXIBILNĚJŠÍ HMOTNOSTNĚ SPEKTROMETRICKÉ METODY V PROTEOMICE

Význam tématu

Metoda FT-ICR MS představuje nejvýkonnější hmotnostně spektrometrickou techniku díky extrémně vysokému rozlišení a přesnosti měření hmot. Je klíčová pro proteomiku, metabolomiku, farmaceutický výzkum i kombinatorní chemii, kde umožňuje analýzu složitých směsí a charakterizaci posttranslačních modifikací bez destrukce iontů.

Cíle a přehled studie / článku

Článek popisuje principy iontové cyklotronové rezonance s Fourierovou transformací, konstrukci instrumentace FT-ICR spektrometru APEX-Q, kombinované ionizační zdroje a řadu fragmentačních technik. Na příkladech proteomických analýz demonstruje flexibilitu, robustnost a nejvyšší možné výkonové parametry této metody.

Použitá metodika a instrumentace

Instrumentace zahrnovala FT-ICR spektrometr APEX-Q s aktivně stíněnými supravodivými magnety o indukci 7, 9,4 a 12 Tesla, kombinovaný CombiSource zdroj ESI a MALDI (mikrotitrační destičky MTP 384, technologie AnchorChip), vyhřívanou kapiláru, iontové trychtýře a hexapóly H0, H1 a kolizní hexapól H2. Kvadrupól Q1 sloužil k selektivní izolaci, ICR cela pracovala v ultravysokém vakuu. Pro separaci peptidů byla využita nanoLC Ultimate NanoLC s kolonou PepMap, autosampler Famos a Switchos II. Fragmentace probíhala technikami CID, SORI, IRMPD a ECD přímo v ICR cele.

Hlavní výsledky a diskuse

• Robustnost CombiSource: automatická výměna ESI/MALDI bez opakované kalibrace zachovala přesnost 0,8 ppm (ESI) a 1,2 ppm (MALDI).
• Extrémní rozlišení: pro Substance P rozlišení 1,8 milionu, pro intaktní BSA (66 kDa) detailní izotopické spektrum za <1 s.
• Sub-ppm přesnost MS a MS/MS: klíčová pro PMF vyhledávání a jednoznačné určení proteinů (např. lidský vs myší albumin).
• Ultrapřesná izolace a fragmentace v ICR: pomocí CHEF technologie separace iontů s rozdílem 0,185 Da a jejich samostatná fragmentace.
• Široké spektrum fragmentačních režimů: CID pro ergodickou disociaci, SORI pro nízkoenergetické kolizní MSn, IRMPD pro fotodissociaci, ECD pro zachování labilních modifikací a kombinace IRMPD+ECD pro analýzu velkých proteinů.

Přínosy a praktické využití metody

• Identifikace a de novo sekvenování proteinů v komplexních směsích.
• Charakterizace posttranslačních modifikací (fosforylace, glykosylace aj.).
• Analýzy intact proteinů s detailním izotopickým rozlišením.
• Screening biologicky aktivních látek a kombinatorních knihoven.
• Online kombinace s HPLC a CE pro vysokou propustnost a citlivost.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další zvyšování indukce supravodivých magnetů pro ještě vyšší rozlišení.
• Pokročilé iontové optiky pro selektivní akumulaci a disociaci před ICR cely.
• Rychlejší integrace s hyphenovanými technikami LC a mikrofluidickými platformami.
• Snížení nákladů a masovější komercializace pro rutinní laboratorní aplikace.
• Rozšíření možnosti analýzy vysoce heterogenních a obzvláště labilních biologických vzorků.

Závěr

FT-ICR MS se ukazuje jako nejuniversálnější a nejvýkonnější hmotnostní spektrometrická metoda pro proteomiku i další biochemické aplikace. Nabízí neporovnatelnou přesnost a rozlišení, možnosti kombinace různých ionizačních a fragmentačních režimů a je připravena na náročné aplikace, přičemž hlavní překážkou širšího využití zůstává vysoká pořizovací cena.

Reference

1. Comissarow MB, Marshall AG J Chem Phys 62, 293 (1975)
2. Comissarow MB, Marshall AG J Chem Phys 64, 110 (1976)
3. Marshall AG, Grosshans PB Anal Chem 63, 215A (1991)
4. Baykut G, Eyler J Trends Anal Chem 5, 44 (1989)
5. Marshall AG, Hendrickson CL, Jackson GS Mass Spectrom Rev 17, 1 (1998)
6. Amster IJ J Mass Spectrom 31, 1325 (1996)
7. Qian K et al Energy Fuels 15, 492 (2001)
8. Rodgers RP et al Anal Chem 71, 5171 (1999)
9. Walk TB et al J Comb Chem 1, 561 (1999)
10. Schmid DG et al Biotechnol Bioeng 71, 149 (2001)
11. He H et al J Antibiot 53, 191 (2000)
12. Shi SD-H et al J Am Soc Mass Spectrom 10, 1285 (1999)
13. Huang N et al J Am Soc Mass Spectrom 10, 1166 (1999)
14. Shen Y et al Anal Chem 73, 3011 (2001)
15. Pasa-Tolic L et al J Am Chem Soc 121, 7949 (1999)
16. Hofstadler SA, Griffey RH Curr Opin Drug Discov Dev 3, 423 (2000)
17. Griffey RH et al J Am Chem Soc 122, 9933 (2000)
18. Griffey RH et al Proc Natl Acad Sci USA 96, 10129 (1999)
19. Gauthier JW et al Anal Chem Acta 246, 211 (1991)
20. Senko MW et al Anal Chem 66, 2801 (1994)
21. Little DP et al Anal Chem 66, 2809 (1994)
22. Zubarev RA et al Anal Chem 72, 563 (2000)
23. Hakansson K et al Anal Chem 73, 3605 (2001)
24. Li W et al Anal Chem 71, 4397 (1999)
25. Palmblad M et al Rapid Commun Mass Spectrom 16, 988 (2002)
26. Davidson W, Frego L Rapid Commun Mass Spectrom 16, 993 (2002)
27. Tsybin YO et al Eur J Mass Spectrom 8, 389 (2002)
28. Shen Y et al Anal Chem 73, 1766 (2001)
29. Wetterhall M et al in Mass Spectrometry and Hyphenated Techniques in Neuropeptide Research, 135 Wiley (2002)
30. Yamashita M, Fenn JB J Phys Chem 88, 4451 (1984)
31. Fenn JB et al Science 246, 64 (1989)
32. Karas M et al Int J Mass Spectrom Ion Proc 78, 53 (1987)
33. Karas M et al Int J Mass Spectrom Ion Proc 92, 231 (1989)
34. Baykut G et al Rapid Commun Mass Spectrom 16, 1631 (2002)
35. Schurenberg M Anal Chem 72, 3436 (2000)
36. Wang YS et al Int J Mass Spectrom 198, 113 (2000)
37. Belov ME et al Anal Chem 73, 253 (2001)
38. Tsybin YO et al Rapid Commun Mass Spectrom 17, 1759 (2003)
39. McLafferty FW et al J Am Chem Soc 120, 4732 (1998)
40. Marshall AG, Guan S Rapid Commun Mass Spectrom 10, 1819 (1996)
41. Tsybin YO et al Rapid Commun Mass Spectrom 17, 1759 (2003)
42. Heck AJR et al Rapid Commun Mass Spectrom 5, 406 (1991)
43. de Koning LJ et al Int J Mass Spectrom Ion Proc 165/166, 209 (1997)
44. Heck AJR, Derrick PJ Anal Chem 69, 3603 (1997)
45. Heck AJR et al Adv Mass Spectrom 14, C026140 (1998)
46. Kawashima K J Mass Spectrom Soc Jpn 47, 160 (1999)
47. McLafferty FW et al J Am Chem Soc 120, 4732 (1998)
48. Meng F et al Anal Chem 76, 2852 (2004)