开发具有独特功能的FTICR质谱仪

Peter B. O'Connor，英国华威大学化学系华威分析科学中心(WCAS)分析化学教授

Peter和他的团队与其他研究小组合作，证明了更高规格的傅里叶变换离子回旋共振(FTICR)质谱在特定应用中的有效性。在这里，他讨论了他目前正在进行的各种项目。他谈到了质谱的适应性，使研究人员能够研究癌症、神经疾病、石油和生物制药。

问:你是如何进入这一研究领域的?

答:完成本科学位后，我继续攻读博士学位，尽管我最初计划专注于计算建模，但一旦我上了大学，这对我来说并没有多大吸引力。所以我四处游荡，试图找到一些其他感兴趣的领域，最终偶然进入了弗雷德·麦克拉弗蒂(美国化学家，以质谱研究而闻名)的实验室，他所做的研究与我们现在仍然在做的研究非常相似——尽管当时处于一个更初步的状态——我了解了质谱，真正爱上了它，并坚持了这么多年。它最初引起我的兴趣是在90年代初，大约25年前。

问:你能谈谈你在癌症研究领域的工作吗?

答:我不认为自己是癌症研究方面的专家，但我的同事彼得·萨德勒(Peter Sadler)是我们一篇最新论文的合著者，他研究的是抗癌金属药物。其中最著名的是顺铂这可能是所有抗癌药中处方最多的一种。

顺铂作为Peter研究的模板，除了他改变了药物上的金属和配体——当然，这完全改变了分子的化学性质。我们的目标是找到更有效的抗癌药物，具有更强的靶向性，或者，在这种情况下，研究小组想要找到一种光激活的抗癌药物，这样他们就可以给一个人服用相当高浓度的惰性药物，然后只在癌症特定的目标部位用蓝光激活分子。

这一策略意味着可以通过控制光的位置来限制对健康细胞的损害，这是彼得提出的一个有趣的概念。我个人的兴趣是光激活抗癌药物，想弄清楚这些药物在被激活时发生了什么。当你把这种类型的药物放入生物系统时会发生什么，它们是如何杀死细胞的，它们实际上在做什么?这是一个非常有趣的问题，因为这是一个质谱问题。这也是一个蛋白质组学问题，因为大多数药物都是与细胞中的蛋白质相互作用。

我们从顺铂开始，找到了检测顺铂中蛋白质修饰位点的方法，现在我们已经将其扩展到相当多的其他金属药物。然后我们进行了液相色谱结合质谱和串联质谱，也就是碎片质谱。我们用这种方法试图识别蛋白质和修饰位点。如果你用传统的蛋白质组学方法，你会发现一些东西但所有被药物修饰过的东西都有非常奇怪的同位素模式因为金属有非常奇怪的同位素模式在药物中间有一种金属。所以我们必须找到一种方法来自动突出所有有金属的峰。我们能够建立一个脚本，可以检查同位素模式，只识别那些有金属的峰，然后我们可以专注于这些峰，进行更广泛的质谱分析。这是一个蛋白质组学的挑战，所以像往常一样，你有一堆可怕的蛋白质和多肽。这些也是人类细胞系，所以它们非常复杂，不像酵母细胞那么简单。然后我们有金属，它们的同位素分布非常广泛，很难找到它们，这往往会打乱很多蛋白质组学方法，这些方法现在已经很成熟了。因此，虽然我们必须开发工具来做到这一点，但FTICR MS的高分辨率非常有用，尽管可能不是在所有情况下都严格需要。 Inevitably in biological systems you end up with overlapping isotope distributions and then that very high resolution becomes critical. So some of this could have been done with other proteomic set ups, but the FTICR is clearly going to be the best approach.

问:FTICR质谱法的好处是什么?它特别适用于哪些应用?

答:到目前为止，FTICR最大的优势是它比其他类型的质谱仪具有更高的分辨率。它比最接近的竞争对手轨道飞行器好10倍。高分辨率非常有用，特别是当你有特别复杂的样本时。研究人员在这个领域研究的最大领域之一是石油，虽然我自己没有研究这个领域。石油是一种非常复杂的混合物，有成千上万的成分，都是低分子量的所以它们往往会给你巨大的信号在光谱中每个道尔顿间距都可能有数百个单独的峰，所以它真的很复杂。我们正在研究的另一个领域是合成聚合物，特别是嵌段共聚物，在光谱中组合混乱是很常见的，因为你有聚合物的分布，你在嵌段共聚物中标记在一起，所以它们变得相当不均匀。一个更先进的质谱仪是必要的，以了解光谱。

石油和聚合物要么不太适合色谱分离，要么对色谱分离来说太复杂，所以你需要能够在光谱中同时处理许多不同的成分，所以你绝对需要分辨率。蛋白质组学在这个意义上非常相似。在这种情况下，就像在许多情况下一样，我们从消化细胞中的蛋白质到缩氨酸开始工作。这就是我们所说的蛋白质组学自下而上的方法，但这意味着你可能会把成千上万的蛋白质变成数百万个缩氨酸，或者至少数十万个缩氨酸。然后你必须分离出混合物并进行处理。肽非常适合色谱，所以它们通常分离得很好。所以你没有非常复杂的样品但如果你有一个很好的色谱设置你可能能够把混合物分离成1000或2000个馏分如果你有10万或100万个违规，这意味着你在任何特定的时间都有相当多的成分出来你仍然需要高分辨率来处理样品的复杂性。对于蛋白质组学，方法是尝试进行实验，利用质谱仪的高性能进行选择和串联质谱。他们必须非常非常快地运行质谱仪，并尝试在每个时间切片中选择尽可能多的峰，以便将它们分割并获得序列信息。这种方法确实有效，我们也这样做，但我们有一个额外的优势，那就是分辨率很高，这意味着我们可以同时分离出混合物。这有助于我们处理这些数据。 Then there's all the other elements such as glycomics and genomics that are also amenable to this high-performance mass spectrometry in different contexts.

问:你们团队的任务是“开发具有独特功能的新型FTICR质谱仪”。你能详细说明一下吗?

答:发展是我们所做的大部分事情。我们致力于开发先进的FTICR质谱，更具体地说，我们开发了使用FTICR高分辨率功能的新工具。

我目前正在开发一个网络应用程序，我打算用它来教人们如何计算同位素分布。同位素分布实际上并不复杂，但如果你要将它们与真实数据进行比较，正确地计算它们真的很重要。你会发现很多web应用程序都做了一些非常简单的假设，这些假设通常都没问题——但有时会导致问题。我们必须计算所有金属的同位素分布，这并不总是容易的。我们还研究了不同的分解分子的方法。在质谱仪中，你通常会测量你的质谱，得到一些肽的峰。然后，你将使用我们在质谱仪中获得的一些电压和波形选择一个峰值，使用串联质谱碎片法将其粉碎，然后测量你所创建的质量-这可能会让你得到一些肽的结构信息。这种方法通常能够对肽进行部分(有时是全部)测序。所以使用串联质谱测序有很多技巧。

如何分解分子?大多数情况下，我们会让它们与背景气体碰撞，仅仅通过碰撞就将它们打碎。我们还在研究光解离，也就是用紫外光和红外线破坏分子，我们也在做电子反应。你可以用电子进行六种不同类型的反应，使分子以不同的方式断裂。每个反应往往会产生略微不同的信息，所以当你把几个反应组合在一起时，你可以得到非常有用的序列信息的完整图像。我们实际上已经开发了一种新的碎片技术，叫做二维质谱，这非常令人兴奋。我们现在已经发表了几篇关于它的论文，我们还准备提交三到四篇。

二维质谱技术已经成熟。概念和方法可以追溯到80年代末，但当时需要太多的计算能力，我们需要现代计算机才能开始成功地处理数据。当涉及到二维质谱分析时，你可能有一个相当于200gb数据的光谱——普通的计算机无法处理它，它需要安置在大学里的集群计算机。这种增强的计算能力使我们能够将数据转换成我们可以使用的格式。这项技术最终使我们能够使用这种方法，尽管它在文献中已经存在了近30年!它能让我们把分子分解。

在二维质谱法中，你不需要分离分子。你要做的是调节所有分子进出一个碎片区你基本上用它自己的调制频率来编码每个前体光标离子因为这要把它拖来拖去到碎片区碎片最终携带和前体光标相同的调制频率。这意味着你可以同时分解所有的分子，而不需要进行任何分离，这大大加快了整个过程，因为你不需要一个一个地分解它们，你只需要一起分解它们。它加快了速度，也提供了更多细节信息因为复杂样本不可避免地会发生的情况是你可以将前5或10个片段分割，然后你就没时间做下一个了所以基本上这是一种做整个实验的更快的方法。它最终会给我们更多关于复杂混合物的结构和分子的信息。这是一个正在进行的开发项目，所以我想请继续关注!

问:你目前在做什么项目?

答:二维质谱;这对我们来说是一个很大的发展项目，我们正在努力在我们能想到的每一个方面应用它。我们最近接受了两篇科学论文，概述了该技术及其在分析整个蛋白质而不是分析通常通过消化蛋白质产生的小肽(自上而下蛋白质组学)方面的应用。当然，我们正在蛋白质组学和聚合物上使用它，我们也在糖组学的二维质谱使用上取得了良好的进展。有几个应用领域是特别有趣的。

第一个要提到的项目是与北京一所医学院的合作。研究人员使用的蝎子毒液和蝎子毒液提取物具有特殊的抗凝血活性。我们的想法是试图弄清楚这些蝎子毒液提取物的结构中是什么导致了抗凝血活性。结果发现萃取物中的大部分分子都是蛋白质，不是很大，很小，在10000道尔顿以下，但是它们被紧紧地绑在一起有很多二硫化物键，大概是为了它们在环境中存活下来这种构象可以防止它们立即被蛋白酶切割并让它们保持稳定。但是，首先，你需要试着找出这些分子是什么。蝎子没有测序所以我们没有数据库来搜索所以我们必须对它们进行测序新创，只使用质谱数据——这要困难得多。我们还必须设法弄清楚这些二硫键的确切位置，你往往只是争夺二硫键的位置(如果你保留这些信息)，所以试图弄清楚这些毒液是什么以及它们是如何起作用的是一个挑战。这是一个有趣的项目，目前正在取得一些不错的进展。

我们还在分析阿尔茨海默病患者的淀粉样斑块，特别是试图弄清楚金属颗粒对阿尔茨海默病有什么影响。关于饮食中的铝和铁，或者从环境污染中摄取的铝和铁，以及它们如何影响阿尔茨海默病，已经有很多讨论。我有一个合作伙伴在研究这个项目我们的部分是试图弄清楚我们在阿尔茨海默病蛋白质中看到了什么变化，淀粉样蛋白，作为这些金属纳米颗粒的功能。然后他们还去了同步加速器，试图准确地找出特定纳米颗粒中金属的化学状态。它是一种金属还是一种与其他物质结合的金属?从许多不同的方向来看，这是一个有趣的问题，从技术上和医学上都是如此。

我们还有一个关于抗体的大项目。这是一个与生物制药公司的合作项目，该公司生产和使用了很多不同的抗体。他们对所有的翻译后修饰都非常感兴趣。如果这些抗体是为了制药目的而生产的，他们希望确保抗体在一段时间内保持稳定，并且不会产生某种副作用，从而导致药物活性出现问题。因此，目前有很多工作集中在抗体的翻译后修饰。

Peter B. O'Connor接受了科技网络科学作家Laura Elizabeth Lansdowne的采访。188金宝搏备用