Масс-спектрометрия взяла рекордный вес

Устройство наномеханической резонирующей системы для измерения массы тяжелых комплексов белков и вирусов

Наномеханический масс-спектрометр впервые смог точно «взвесить» большой ДНК-вирус массой 105 MДа. Новая аналитическая система позволяет детектировать отдельные молекулы, масса которых выходит за пределы диапазона, в котором работают обычные масс-спектрометры («Science», 2018; doi: 10.1126/science.aat6457).

Первый прибор для определения масс атомов и молекул — масс-спектрограф — в 1912 году разработал первооткрыватель электрона, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года Джозеф Джон Томсон. На этом приборе, в котором спектры строились с помощью фотопластинок, были получены масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена. В 1919 году, когда от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок перешли к измерению ионных токов, метод стал называться масс-спектрометрией. Первый масс-спектрометр использовался для разделения изотопов химических элементов и мог измерять массы не более 130 дальтон. На протяжении столетия масс-спектрометрия училась справляться со все более тяжелыми массами. В наше время коммерчески доступные масс-спектрометры работают с белками и полимерами до 1 МДа, а устройства, модифицированные в лабораториях, — и с молекулами, масса которых достигает 10 МДа. Массы более тяжелых молекул фактически не поддаются достоверному измерению — ионы, образуемые ими, слишком медленно перемещаются в направлении детектора под воздействием электрических или магнитных полей.

Французские и канадские исследователи под руководством Кристофа Массело и Себастьена Хентца создали устройство, которое определяет массы частиц в диапазоне от 106 до 109 Да — это массы комплексов белков, вирусов и нуклеиновых кислот. По словам Массело, они старались отойти от классической конструкции масс-спектрометра и найти способ направлять частицы в наномеханический детектор.

Для определения массы сначала непрерывно ионизируют раствор, содержащий частицы ДНК-вируса Т5, методом нано-электрораспылительной ионизации. В камере инструмента ионизированные капли смешиваются с газообразным гелием. Затем эта смесь проходит через аэродинамическую линзу — камеру низкого давления с тремя отверстиями, использующими инерцию частиц для их фокусировки в плотный поток. Это происходит так. По мере прохождения смеси через каждое из трех отверстий гелий быстро диффундирует в камеру, а менее поворотливые частицы с большой массой диффундируют медленнее. При прохождении частиц через каждое отверстие траектория движения пучка частиц становится все более плотной — при движении через различные отверстия частицы сближаются.

В итоге сфокусированный поток частиц попадает в детектор, спроектированный для интересовавшего исследователей диапазона масс 106—109 Да. Детектор масс представляет собой систему 20 наномеханических резонаторов, вытравленных на поверхности кремния. Когда вирус попадает на резонатор, частота колебаний резонатора меняется, причем это изменение определяется массой частицы.

При испытаниях устройства измерили массы 650 вирусов Т5, и после нормализованного распределения масса вируса была определена как 108,4 МДа. Это на 2,8% больше, чем его молекулярная масса, определенная альтернативными способами (105,4 МДа), возможно, из-за того, что в процессе ионизации вирус насыщается солями. Как отмечает Массело, акустическая система фокусировки пучка, содержащего частицы с большой массой, может быть легко модифицирована для направления вирусов на наномеханические детекторы иного типа — предназначенных для определения размеров частиц, их формы или жесткости.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 1/2019) на с. 8 — 9.