Rokfeller Universiteti tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Yeni MultiQ-IT prototipi eyni vaxtda bir milyarddan çox ionu soyuda, tuta, süzgəcdən keçirə və yönləndirə bilər, dinamik diapazonu və siqnal-küy nisbətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Müəllif: Lori Chertoff/The Rockefeller University

Kütlə spektrometriyası artıq müəyyən bir nümunədə hansı növ və neçə molekulun olduğunu müəyyən etmək üçün güclü bir vasitədir. Lakin əksər cihazlar hələ də molekullarını bir və ya bir neçə dəfə təhlil edir ki, bu da səmərəsiz və baha başa gələn bir yanaşmadır və nadir, lakin əhəmiyyətli molekulların asanlıqla çatlar arasında düşə biləcəyi bir yanaşmadır.

Texnologiyanın daha güclü bir versiyası bir gün alimlərə tək bir hüceyrənin tam molekulyar tərkibini oxumağa, eyni anda minlərlə kimyəvi reaksiyanı izləməyə və nəticədə dərman inkişafı kimi səyləri sürətləndirməyə imkan verə bilər.

İndi isə yeni bir araşdırma, eyni anda çox sayda molekulu idarə edə bilən MultiQ-IT adlı bir prototipin hazırlanması ilə bu istiqamətdə ilk böyük addımı təsvir edir. Science Advances jurnalında dərc olunan tapıntılar , genomika və hesablamanı yenidən formalaşdıran transformasiya növü üçün kütlə spektrometriyasını yerləşdirə biləcək daha sürətli və daha həssas alətlər üçün bir plan təqdim edir.

Rokfellerdəki Kütlə Spektrometriyası və Qaz İonları Kimyası Laboratoriyasından Brian T. Chait deyir: “DNT ardıcıllığında inqilab edən şey əsas kimyada heç bir dəyişiklik deyildi. Bu, əsasən eyni olaraq qaldı.”

“Bu, paralel olaraq bir çox kimyəvi reaksiyanı həyata keçirmək qabiliyyəti idi və bu da genom ardıcıllığını milyard dollarlıq səydən təxminən 100 dollara başa gələn bir işə çevirdi. Eyni şey GPU-larla hesablamalarda da baş verdi. Kütlə spektrometriyası ilə də bunu etməyə çalışırıq.”

Böyük bir maneə

Kütlə spektrometriyası təxminən 1913-cü ildə icad edilmişdir və o vaxtdan bəri biologiyanın ən güclü analitik vasitələrindən birinə çevrilmişdir. Bu texnologiya alimlərə molekulları ionlaşdırmaqla və ya onlara elektrik yükü verməklə və onların kütlə-yük nisbətini ölçməklə onları müəyyən etməyə və kəmiyyətləndirməyə imkan verir.

Lakin mürəkkəbliyinə baxmayaraq, əksər kütlə spektrometrləri bunu ardıcıl olaraq, bir və ya bir neçə ion növünü bir anda yerinə yetirir və çox vaxt mürəkkəb bioloji nümunələrdə nadir molekulları müəyyən etmək üçün lazım olan incə həssaslığa malik olmur.

“Bu, möhtəşəm bir texnikadır – onunla ağlasığmaz dərəcədə gözəl, analitik işlər görə bilərsiniz”, Çayt deyir. “Amma mən həmişə onun məhdudiyyətlərindən bir az məyus olmuşam. Ürəyimdə bilirdim ki, daha yaxşı ola bilər.”

Əgər belə olsaydı, tək hüceyrəli proteomikanı, eləcə də metabolomikanı dəyişdirə bilərdi. Bu, tək bir hüceyrədəki zülalların və ya metabolitlərin tam dəstini müəyyən etməyi və kəmiyyətləşdirməyi hədəfləyən inkişaf edən sahələrdir.

DNT-dən fərqli olaraq, bu molekullar gücləndirilə bilməz və ən bol növlər ən nadir növlərdən milyonlarla dəfə daha çox yayılmış ola bilər.

Kütlə spektrometriyası artıq bu tətbiqlərdə faydalı olduğunu sübut edir, lakin daha bol növlərin böyük bir fonunda zəif siqnalları aşkar etmək üçün daha böyük bir qabiliyyət olmadan, tam potensialından çox geridə qalacaq.

Çayt və həmkarları şübhələnirdilər ki, bu məhdudiyyəti aradan qaldırmağın yeganə yolu bir vaxtlar hesablama və genomikanı dəyişdirən sözdə ” kütləvi paralelləşmə ” yolu ilə əsrlik texnologiyanı tətbiq etməkdir .

Kompüter elmində tədqiqatçılar böyük tapşırıqların bir çox kiçik tapşırıqlara bölünməsinin və eyni zamanda qrafik emal vahidlərindən və ya GPU-lardan istifadə etməklə emal edilməsinin performansı kəskin şəkildə artırdığını aşkar etdilər. DNT ardıcıllığı oxşar bir yol izlədi və nəticədə milyonlarla reaksiyanı eyni anda təhlil edən nisbətən ucuz platformalar yarandı.

Laboratoriyada baş elmi işçi olan Endryu Kruçinski deyir: “Bu, çox açıq bir fikir idi. Amma kütlə spektrometriyası ilə bunu necə etmək aydın deyildi.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Kütləvi paralel emal istiqamətində

MultiQ-IT ideyası, molekulların nüvə məsamə kompleksləri adlanan yüzlərlə kiçik keçid vasitəsilə hüceyrənin nüvəsinə necə daxil olub-çıxdığına dair onilliklər davam edən tədqiqatlardan irəli gəlmişdir .

Çayt və həmkarları hüceyrənin işi tək bir kanaldan keçmək əvəzinə bir çox paralel dəliklər arasında necə yaydığını müşahidə etmişdilər. Komanda kütlə spektrometriyasının bu istiqamətdə yenidən dizayn edilə biləcəyini düşünürdü.

Nəticədə, ənənəvi kütlə spektrometrinin əsas komponentini əvəz etmək üçün hazırlanmış yeni ion tutma kamerası yarandı. Kub formalı cihaz yüzlərlə kiçik, elektriklə idarə olunan dəliklə örtülmüşdür.

İçəridə, ionlar qalıq qaz molekulları ilə çoxsaylı toqquşmalar nəticəsində yavaşlayır və kameradan təsadüfi şəkildə keçməsinə icazə verilir, burada sistem birdən çox populyasiyanı bir-bir təhlil etmək əvəzinə, onları eyni anda süzgəcdən keçirə, saxlaya və yönləndirə bilər.

Komanda, ionların nə qədər səmərəli şəkildə məhdudlaşdırıla və çeşidlənə biləcəyini sınaqdan keçirərək, dizaynı altı dəlikdən 1000-dən çoxa qədər miqyaslandırdı və eyni zamanda təhlil üçün tək bir daxil olan axının birdən çox paralel axına bölünə biləcəyini nümayiş etdirdi.

Onun performansı heyrətamiz idi. İstənilən anda, 486 portlu MultiQ-IT versiyası 10 milyarda qədər yük saxlaya bilirdi ki, bu da ənənəvi ion tələlərinin tutumundan təxminən min dəfə çoxdur.

Sistem, daha nadir, məlumatla zəngin olanları saxlayarkən bol miqdarda fon molekullarının sızmasına icazə verməklə, siqnal-səs-küy nisbətlərini 100 dəfəyə qədər yaxşılaşdırdı və bu da əvvəllər aşkarlana bilməyən zülalları aşkar etdi.

Buna nail olmaq üçün tədqiqatçılar tələnin çıxışlarına kiçik bir elektrik gərginlik baryeri tətbiq etdilər: tək yüklü ionların çıxmaq üçün kifayət qədər enerjisi var idi, çox yüklü, bioloji cəhətdən əhəmiyyətli ionlar isə məhdud qaldı.

Onların 1134 portlu dizaynında, bu tükənmə üçün maksimum səmərəliliyin yarısına çatmaq üçün yalnız 39 açıq port kifayət idi ki, bu da hüceyrələrin oxşar təsir üçün məhdud sayda məsamədən necə istifadə etdiyini əks etdirir.

Komanda həmçinin paralelləşmənin fiziki məhdudiyyəti aradan qaldırdığını aşkar etdi: milyardlarla oxşar yüklü hissəciyi kiçik bir məkana yığmaq güclü elektrik itələməsi yaradır, lakin onların bir çox kanallar arasında paylanması bu kanallarda bu itələməni azaldır.

Məsələn, onların prototipi tərəfindən nümayiş etdirilən bu artan həssaslıq, böyük protein komplekslərinin strukturlarını xəritələşdirmək üçün çox faydalı olduğunu sübut edən az miqdarda çarpaz əlaqəli peptidlərin aşkarlanmasının yaxşılaşmasına səbəb ola bilər.

Kruçinski deyir ki, “Ən az bol olan şeylər, daha bol olan şeylərdən daha vacib ola bilər”.

Hələlik, MultiQ-IT hazır kommersiya alətindən daha çox mümkün olanların nümayişidir. Tədqiqatçılar öz rollarını bir gün güclü klinik və analitik alətlərə çevrilə biləcək fiziki plan yaratmaqda görürlər.

“DNT ardıcıllığı üçün reaksiyanın kəşfi ilə müasir genomika arasında çoxlu inkişaf var idi; ilk tranzistorla çipə milyardlarla tranzistor qoyulması arasında onilliklər keçdi”, – deyə Çayt bildirir.

“Hər iki halda da kimsə əvvəlcə bunun edilə biləcəyini göstərməli idi, sonra isə sənaye bunu ələ keçirdi. Düşünürəm ki, biz kütlə spektrometriyasının daha səmərəli şəkildə edilə biləcəyini göstərdik.”

Nəşr detalları

Andrew Krutchinsky və digərləri, Kütləvi Miqyasda İonların Paralel Manipulyasiyası üçün Təbiətdən İlhamlanmış İon Tələsi, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aec7048 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec7048

Jurnal məlumatları: Elmin irəliləyişləri 

Rokfeller Universiteti tərəfindən təmin edilir