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. Contudo, a maioria dos instrumentos atuais examina moléculas de uma só vez ou em grupos muito pequenos. Este método é lento, caro e pode estar sujeito a perder moléculas raras, mas importantes, escondidas em maior abundância.
Uma versão mais avançada desta tecnologia permitirá eventualmente aos investigadores capturar toda a composição molecular 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 transformação semelhante às transformações observadas na genômica e na computação.
Laboratório de Espectrometria de Massa e Química de Íons Gasosos de Brian T. Rockefeller. Chat diz: “O que revolucionou o sequenciamento de DNA não foi nenhuma mudança na química subjacente. Ela permaneceu fundamentalmente a mesma.” “Foi a capacidade de executar tantas reações químicas em paralelo que levou o sequenciamento do genoma de um empreendimento de bilhões de dólares para algo que custa cerca de US$ 100. A mesma coisa aconteceu na computação com GPUs. E estamos tentando fazer isso com espectrometria de massa.”
Barreiras à espectrometria de massa moderna
A espectrometria de massa começou por volta de 1913 e se tornou 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 medi-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 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 decepcionado com suas limitações. Eu sabia, na minha opinião, 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 nesta área, sua sensibilidade atual muitas vezes fica aquém ao tentar detectar sinais fracos em meio a um ruído de fundo esmagador.
Para enfrentar esse desafio, Chat e sua equipe acreditavam que a solução seria a “paralelização massiva”, um conceito que já havia transformado a computação e o sequenciamento de DNA. Na computação, grandes ganhos de desempenho são alcançados dividindo grandes problemas em muitas tarefas menores e processando-os simultaneamente com uma unidade de processamento gráfico, ou GPU. O sequenciamento de DNA segue um caminho semelhante, permitindo que milhões de reações sejam analisadas de uma só vez a um custo muito menor.
“Era uma ideia muito clara”, disse Andrew Kruchinski, pesquisador associado sênior do laboratório. “Mas não estava claro como fazer isso com espectrometria de massa.”
Uma abordagem paralela inspirada em células
A ideia por trás do MultiQ-IT deriva de pesquisas de longo prazo sobre como as moléculas entram e saem do núcleo da célula através de estruturas conhecidas como complexos de poros nucleares. Estas estruturas distribuem o tráfego por muitas pequenas aberturas, em vez de forçar tudo através de um único caminho. Os investigadores questionaram-se se a espectrometria de massa poderia ser redesenhada para funcionar de forma semelhante.
O resultado é uma câmara de captura de íons recém-projetada, destinada a substituir um componente-chave dos espectrômetros de massa tradicionais. Este dispositivo em forma de cubo possui centenas de pequenas aberturas controladas eletricamente. Dentro da câmara, os íons colidem com as moléculas do gás, desacelerando e movendo-se 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 como manipular e separar efetivamente os íons. Eles mostraram que um único fluxo de íons que chega pode ser dividido em vários fluxos paralelos para análise simultânea.
Lidando com bilhões de moléculas simultaneamente
Os protótipos oferecem desempenho impressionante. Uma versão com 486 portas pode conter dezenas de bilhões de cargas de uma só vez, mil vezes mais do que as armadilhas de íons convencionais.
O sistema melhora a detecção, permitindo que moléculas normais de fundo escapem enquanto mantém moléculas mais raras e informativas em seu interior. Isto aumentou a relação sinal-ruído em 100 vezes, tornando possível identificar proteínas que antes eram indetectáveis. Para conseguir isso, os pesquisadores aplicaram uma pequena barreira de tensão elétrica na saída da armadilha. Íons com carga única podem escapar, enquanto íons com carga múltipla, que muitas vezes são biologicamente importantes, ficam presos.
Num projeto maior, com 1.134 portas, foram necessárias apenas 39 portas abertas para atingir metade da eficiência máxima de filtragem do sistema, tal como as células utilizam um número limitado de poros nucleares para conduzir o tráfego molecular. Os pesquisadores também descobriram que espalhar os íons por muitos canais reduz a forte repulsão elétrica que ocorre quando partículas com carga semelhante são compactadas em um espaço pequeno.
Este aumento na sensibilidade pode melhorar a detecção de peptídeos reticulados de baixa abundância, que são valiosos para mapear a estrutura de grandes complexos proteicos. “As coisas que são mais abundantes podem ser mais importantes do que as coisas mais abundantes”, diz Kruczynski.
Um plano para dispositivos 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 veem isso como um projeto básico que poderia eventualmente ser desenvolvido em uma ferramenta prática para uso clínico e laboratorial.
“Houve muito desenvolvimento entre a descoberta do sequenciamento de DNA e uma resposta à genômica moderna; décadas entre o primeiro transistor e a colocação de um bilhão de transistores em um chip”. “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.”
