Nieuwe massaspectrometrietechnologie kan de analyse van kleine monsters transformeren

Massaspectrometrie is een krachtige techniek waarmee wetenschappers de bouwstenen van zo ongeveer alles kunnen ontleden en identificeren door de massa te meten van de kleine deeltjes waaruit iets bestaat. Het heeft echter een grote beperking: ongeveer 99% van het gemeten monster is doorgaans verloren voordat de analyse überhaupt begint.

Deze mate van verlies belemmert het potentieel van de technologie. Het vermindert de nauwkeurigheid en gevoeligheid, verspilt middelen en compliceert de monstervoorbereiding, wat kan leiden tot extra fouten. Dat zal echter niet veel langer het geval zijn.

Een onderzoeksteam van Brown University heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het overbrengen van ionen die massaspectrometers analyseren. Hierdoor wordt het verlies van monsters drastisch verminderd, zodat vrijwel alles intact blijft.

“De conventionele techniek voor het produceren van ionen voor massaspectrometrie, elektrospray-ionisatie genoemd, houdt in principe in dat een zeer scherpe naald vlak voor de massaspectrometer wordt geplaatst en er een elektrisch veld op wordt gericht. Hierdoor ontstaat een spray van geladen druppeltjes die uiteindelijk opdrogen en pure ionen produceren die vanuit de open lucht in de massaspectrometer terechtkomen”, aldus Nicholas Drachman, een Ph.D.-student natuurkunde aan de Brown University die het onderzoek leidde.

“In principe is het een proces waarbij je je monster echt overal heen spuit om deze ionen te produceren en slechts een klein deel ervan in het vacuüm van de massaspectrometer krijgt voor analyse. Onze aanpak slaat dat allemaal over.”

De vooruitgang, die een nanopore-ionenbron wordt genoemd, overwint een langdurige impasse in de wetenschap en heeft het potentieel om de massaspectrometrietechnologie te revolutioneren. Het Brown-team beschrijft de nieuwe innovatie in Natuurcommunicatie.

De sleutel is een klein capillair dat de onderzoekers ontwikkelden met een opening van ongeveer 30 nanometer in doorsnee, ongeveer 1000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Ter vergelijking: de conventionele naald die wordt gebruikt bij elektrospray heeft een opening van ongeveer 20 micrometer in doorsnee, wat ongeveer 600 keer groter is dan de buis die is ontwikkeld bij Brown.

De nieuwe nanobuis heeft bovendien de unieke mogelijkheid om ionen die in water zijn opgelost, direct in het vacuüm van een massaspectrometer over te brengen. Er ontstaat dan geen spray van druppeltjes die eerst moeten worden gedroogd om bij de ionen te komen.

Bovendien zuigen conventionele massaspectrometers doorgaans een aanzienlijke hoeveelheid gas aan samen met de ionen tijdens het proces, waardoor er meerdere fasen van vacuümpompen nodig zijn om de ionen aan te zuigen. De nieuwe doorbraak betekent dat er geen gas meer hoeft te worden weggepompt, omdat het niet wordt aangezogen, aldus de onderzoekers.

“In plaats van het voor een massaspectrometer te plaatsen en deze spray van druppels te genereren, plaatsen we het gewoon direct in de massaspectrometer, waardoor we dit rommelige spray-, droog- en vacuümproces overslaan,” zei Drachman. “Door ionen direct in het vacuüm te genereren, worden de pompvereisten drastisch verminderd, wat de complexe hardware van massaspectrometers aanzienlijk zou moeten vereenvoudigen.”

Het Brown-team raakte geïnspireerd door nanopore-sequencing in DNA en wil hun idee graag commercialiseren voor breed gebruik door proteïneonderzoekers, onder meer voor het langverwachte doel om proteïnen één aminozuur per keer te sequencen.

“Massaspectrometrie is de beste manier om naar eiwitten te kijken. Deze zijn opgebouwd uit aminozuren met allerlei verschillende chemische en fysische eigenschappen. Je kunt ze namelijk met grote zekerheid van elkaar onderscheiden aan de hand van de massa van hun ionen”, aldus Derek Stein, hoogleraar natuurkunde aan Brown University en auteur van het artikel.

“Proteomics heeft de afgelopen twee decennia niet dezelfde vooruitgang geboekt als genomics, en daarom is er een honger naar een technologie die de analyse van eiwitten kan verbeteren. Door dat probleem van monsterverlies op te lossen, zouden deze veel gevoeligere analyses mogelijk moeten worden, zoals het één voor één en in opeenvolgende volgorde sequencen van de aminozuren in een eiwitmolecuul. Dit is het blue-sky-idee dat ons werk heeft gemotiveerd.”

Het team heeft de afgelopen 10 jaar aan de nieuwe methode gewerkt. Ze begonnen met het ontwerpen van hun eigen massaspectrometer die de unieke ionenbron in een vacuüm kon huisvesten, in tegenstelling tot traditionele ontwerpen waarbij de ionenbron los van het apparaat staat en in de open lucht staat.

Het team bouwde het belangrijkste onderdeel van hun overdrachtsapparaat door met een speciale machine een glazen buis in het midden te verhitten en deze vervolgens voorzichtig uit elkaar te trekken, zodat er aan het uiteinde een extreem kleine opening ontstond die met het blote oog niet te zien was.

Trial-and-error speelde een belangrijke rol in het proces. Vaak leidde dit tot wekenlange frustratie, omdat ze probeerden alles consistent te laten functioneren in het puntje van de haarvaten, die veel te klein zijn om met het blote oog te kunnen inspecteren.

“Er waren weken dat we niet wisten of we vervloekt waren door God zelf of zoiets — dingen stopten gewoon met werken,” zei Stein. “Andere weken werkte alles briljant.”

De volharding van het team wierp zijn vruchten af. Ze hebben met succes aangetoond dat ionanalyse met hun nieuwe overdrachtsmethode overeenkomt met detecties die met traditionele methoden zijn uitgevoerd, maar met veel minder monsterverlies, wat een efficiëntere en nauwkeurigere manier biedt om kleine deeltjes te analyseren.

“We moesten mensen in het proteomics-veld ervan overtuigen dat we dezelfde soort ionen kunnen genereren als die ze gewend zijn te genereren met conventionele elektrospray, en dat we dat op een andere en, naar onze mening, betere manier kunnen doen”, aldus Drachman.

De analyse die in het artikel wordt beschreven, dient als een proof of concept voor de methode. Vervolgens willen de onderzoekers het volledige potentieel van hun nanopore-ionenbron ontsluiten.

“We moeten laten zien dat dit de workflow van proteomische analyses kan verbeteren,” zei Drachman. “We willen dat naar een hoger niveau tillen en er iets van maken dat de wetenschap van onderzoekers in het hele vakgebied zal verbeteren.”