Масс-спектрометрия взяла рекордный вес

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2019, №1)

pic_2019_01_08-2.jpg

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.

123

Разные разности

07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>