Charge Assignment of Isotopically Resolved Direct Mass Data by 2D Voting

Význam tématu

Precizní přiřazení náboje jednotlivým iontům je klíčové pro jednoznačné určení molekulové hmotnosti v režimu Direct Mass Technology. Eliminace variability odhadů náboje zlepšuje kvalitu izotopického rozlišení a podporuje analýzu komplexních biomolekul, jako jsou protilátky či terapeutické proteiny.

Cíle a přehled studie

Cílem studie je vyvinout a otestovat dvourozměrný votingový algoritmus pro zvýšení přesnosti odhadů náboje v izotopově rozlišených datech přímé hmotnostní analýzy. Analýza byla aplikována na tři datové sady: natívní a denaturovaný standard SILu a natívní Enbrel.

Použitá metodika

Algoritmus pracuje v datovém prostoru m/z versus odhadovaný náboj Z a využívá principu sousedství izotopů a stavů náboje. Postup je následující:

• Definice velikosti sousední oblasti (M, N) kolem každé binární pozice (m/z0, Z0).
• Inicializace pravděpodobností pro možné nábojové stavy v rozsahu ±5 % od Z0.
• Přiřazení hlasů sousedním pozicím podle rovnice přepočtu (m/z1, Z1).
• Sumace hlasů a výběr tří nejpravděpodobnějších nábojů, jejich normalizace na pravděpodobnosti.
• Iterativní opakování kroků a finální volba náboje s nejvyšší pravděpodobností (filtrace na P > 0,5).

Použitá instrumentace

• Orbitrap Q Exactive MS s Ultra High Mass Range (UHMR).
• Přímá nanovstřikovací kapilára (NSI tip) pro natívní i denaturované vzorky.
• Software Tune/UHMR pro sběr STORI dat a prototypová Python implementace votingu ve STORIboard.

Hlavní výsledky a diskuse

Po osmi iteracích votingu algoritmus dosáhl jedinečných přiřazení nábojů pro 0,5–2,5 M iontů napříč třemi sadami. Výsledné distribuce molekulové hmotnosti ukázaly:

• Izotopové rozlišení hlavního profilu i vedlejších komponent (C1, C2, C3).
• Identifikaci více než sedmi glykoforem u SILu s přírůstky hexózy (~162 Da).
• Mapování složitých překrývajících se nábojových stavů v natívních datech.

Přínosy a praktické využití metody

Algoritmus přináší robustní a automatizované přiřazení náboje, které je klíčové pro:

• Charakterizaci heterogenity bioterapeutik v QA/QC.
• Studium glykosylace a dalších modifikací proteinů.
• Analýzu složitých proteinových komplexů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace do komerčních softwarových balíků pro vyšší propustnost a uživatelskou přívětivost.
• Rozšíření na další typy bioanalytických aplikací a nekovalentní komplexy.
• Vývoj adaptivních votingových strategií pro zrychlení výpočtů a analýzu velkých datových objemů.

Závěr

Představený 2D votingový algoritmus významně zlepšuje přesnost přiřazení náboje v izotopově rozlišených datech Direct Mass Technology. Výsledné distribuce molekulové hmotnosti poskytují detailní pohled na složitost biomolekulárních vzorků a otevírají cestu k širšímu uplatnění v analytické chemii.

Reference

1. Kafader J. O.; Beu S. C.; Early B. P.; Melani R. D.; Durbin K. R.; Zabrouskov V.; Makarov A. A.; Maze J. T.; Shinholt D. L.; Yip P. F.; Kelleher N. L.; Compton P. D.; Senko M. W. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2019, 30, 2200–2203.
2. Schachner L. F.; Ives A. N.; McGee J. P.; Melani R. D.; Kafader J. O.; Compton P. D.; Patrie S. M.; Kelleher N. L. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2019, 30, 1190–1198.