A maioria dos espectrômetros de massa lida com algumas moléculas. Este novo protótipo movimenta bilhões
A espectrometria de massa é uma técnica amplamente utilizada que ajuda os cientistas a determinar quais moléculas estão presentes em uma amostra e quanto de cada uma existe. No entanto, a maioria dos instrumentos atuais examina as moléculas uma de cada vez ou em grupos muito pequenos. Esta abordagem pode ser lenta, cara e propensa a perder moléculas raras, mas importantes, escondidas entre outras mais abundantes.
Uma versão mais avançada desta tecnologia poderia eventualmente permitir aos investigadores capturar a composição molecular completa de uma única célula, monitorizar milhares de reações químicas simultaneamente e acelerar processos como a descoberta de medicamentos.
Um novo estudo descreve um passo inicial em direção a esse objetivo. Os pesquisadores desenvolveram um protótipo chamado MultiQ-IT que pode processar um grande número de moléculas ao mesmo tempo. O trabalho fornece uma estrutura para a construção de instrumentos mais rápidos e sensíveis, potencialmente permitindo uma mudança semelhante às transformações observadas na genômica e na computação.
“O que revolucionou o sequenciamento de DNA não foi qualquer mudança na química subjacente. Isso permaneceu fundamentalmente o mesmo”, diz Brian T. Chait, Laboratório de Espectrometria de Massa e Química de Íons Gasosos da Rockefeller. “Foi a capacidade de executar tantas reações químicas em paralelo, que levou o sequenciamento do genoma de um esforço de um bilhão de dólares para algo que custa cerca de US$ 100. A mesma coisa aconteceu na computação com GPUs. E é isso que estamos tentando fazer com a espectrometria de massa.”
O gargalo na espectrometria de massa moderna
A espectrometria de massa remonta a cerca de 1913 e tornou-se um dos métodos analíticos mais importantes da biologia. Ele funciona ionizando moléculas, o que significa dar-lhes uma carga elétrica e, em seguida, medir sua relação massa-carga para identificá-las e quantificá-las. Apesar das suas capacidades, a maioria dos sistemas ainda opera sequencialmente, analisando apenas um ou alguns tipos de íons por vez. Isto limita a sua capacidade de detectar moléculas raras em amostras biológicas complexas.
“É uma técnica maravilhosa – você pode fazer coisas analíticas inimaginavelmente maravilhosas com ela”, diz Chait. “Mas sempre fiquei um pouco frustrado com suas limitações. Eu sabia, no fundo, que poderia ser melhor.”
Melhorar esta limitação poderia ter um grande impacto em campos como a proteómica unicelular e a metabolómica, que visam medir todas as proteínas ou metabolitos dentro de uma única célula. Ao contrário do ADN, estas moléculas não podem ser copiadas ou amplificadas e algumas podem ser milhões de vezes menos abundantes que outras. Embora a espectrometria de massa já seja usada nessas áreas, sua sensibilidade atual geralmente fica aquém ao tentar detectar sinais fracos entre ruídos de fundo esmagadores.
Para enfrentar esse desafio, Chait e sua equipe acreditavam que a solução seria a “paralelização massiva”, um conceito que anteriormente transformou a computação e o sequenciamento de DNA. Na computação, dividir grandes problemas em muitas tarefas menores e processá-los simultaneamente com unidades de processamento gráfico, ou GPUs, levou a grandes ganhos de desempenho. O sequenciamento de DNA seguiu um caminho semelhante, permitindo que milhões de reações fossem analisadas de uma só vez a um custo muito menor.
“Era uma ideia muito óbvia”, diz Andrew Krutchinsky, pesquisador associado sênior do laboratório. “Mas como fazer isso com espectrometria de massa não era óbvio.”
Uma abordagem paralela inspirada em células
O conceito por trás do MultiQ-IT surgiu de pesquisas de longo prazo sobre como as moléculas entram e saem do núcleo de uma célula através de estruturas conhecidas como complexos de poros nucleares. Essas estruturas distribuem o tráfego por muitas aberturas pequenas, em vez de forçar tudo por um único caminho. Os pesquisadores se perguntaram se a espectrometria de massa poderia ser redesenhada para funcionar de maneira semelhante.
O resultado é uma câmara de captura de íons recém-projetada, destinada a substituir uma parte importante dos espectrômetros de massa tradicionais. Este dispositivo em forma de cubo contém centenas de pequenas aberturas controladas eletricamente. Dentro da câmara, os íons colidem com as moléculas do gás, diminuem a velocidade e se movem aleatoriamente. Isso permite que o sistema classifique, retenha e direcione vários grupos de íons ao mesmo tempo, em vez de processá-los sequencialmente.
A equipe expandiu o projeto de apenas seis aberturas para mais de 1.000, testando a eficácia com que os íons poderiam ser gerenciados e separados. Eles mostraram que um único fluxo de íons que chegava poderia ser dividido em vários fluxos paralelos para análise simultânea.
Lidando com bilhões de moléculas de uma só vez
O protótipo apresentou um desempenho impressionante. Uma versão com 486 portas poderia conter até dez bilhões de cargas de uma só vez, o que é cerca de mil vezes mais do que as armadilhas de íons convencionais.
O sistema também melhora a detecção, permitindo que moléculas de fundo comuns escapem, mantendo no seu interior outras mais raras e informativas. Isto aumentou a relação sinal-ruído em até 100 vezes, tornando possível detectar proteínas que antes eram indetectáveis. Para conseguir isso, os pesquisadores aplicaram uma pequena barreira de tensão elétrica nas saídas da armadilha. Íons com carga única poderiam escapar, enquanto íons com carga múltipla, que muitas vezes são mais importantes do ponto de vista biológico, permaneceram presos.
Num projeto maior, com 1.134 portas, foram necessárias apenas 39 portas abertas para atingir metade da eficiência máxima de filtragem do sistema, semelhante à forma como as células utilizam um número limitado de poros nucleares para gerir o tráfego molecular. Os pesquisadores também descobriram que espalhar íons através de muitos canais reduz a forte repulsão elétrica que ocorre quando um grande número de partículas com carga semelhante são compactadas em um espaço pequeno.
Este aumento na sensibilidade poderia melhorar a detecção de peptídeos reticulados de baixa abundância, que são valiosos para mapear as estruturas de grandes complexos proteicos. “As coisas menos abundantes podem ser mais importantes do que as coisas mais abundantes”, diz Krutchinsky.
Um projeto para instrumentos futuros
Nesta fase, o MultiQ-IT ainda não é um produto comercial acabado, mas sim uma prova de conceito que mostra o que é possível alcançar. Os pesquisadores o veem como um projeto fundamental que poderia eventualmente ser desenvolvido em ferramentas práticas para uso clínico e laboratorial.
“Houve muito desenvolvimento entre a descoberta de uma reação para sequenciar o DNA e a genômica moderna; décadas entre o primeiro transistor e a colocação de um bilhão de transistores em um chip”, diz Chait. “Em ambos os casos, alguém primeiro teve que mostrar que isso poderia ser feito, e então a indústria assumiu. Acho que mostramos uma maneira pela qual a espectrometria de massa pode ser feita de forma mais eficiente.”
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