Chemiker sind auf der Jagd nach den anderen 99 Prozent

Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des Energieministeriums nehmen die anderen 99 Prozent ins Visier und entwickeln neue Methoden, um mehr über ein riesiges Meer von unbekannten Verbindungen zu erfahren. Vielleicht gibt es Heilmittel für Krankheiten, neue Ansätze zur Bekämpfung des Klimawandels oder neue chemische oder biologische Bedrohungen, die im chemischen Universum lauern.

Die Arbeit ist Teil einer Initiative, die als m/q oder "m über q" bekannt ist - eine Abkürzung für Masse geteilt durch Ladung, was eine der Möglichkeiten bezeichnet, mit denen Wissenschaftler chemische Eigenschaften in der Welt der Massenspektrometrie messen.

"Derzeit können wir eine Bodenprobe nehmen, die je nach Bodentyp Tausende von chemischen Verbindungen in nur einem Teelöffel enthalten kann", sagt Thomas Metz, der die m/q-Initiative leitet. "Und wir wissen nicht, wie die meisten von ihnen chemisch aufgebaut sind. Wir haben einfach keine Ahnung, was da drin ist."

Wissenschaftler stützen sich bei der Identifizierung von Stoffen normalerweise auf Referenzbibliotheken, die Informationen über Tausende von Molekülen enthalten. Die Forscher sortieren ihre Proben aus dem Boden, aus dem Körper oder von anderswo und vergleichen, was sie experimentell gemessen haben, mit dem, was in der Bibliothek steht. Das ist zwar hilfreich, beschränkt die Wissenschaftler aber darauf, nur Moleküle strukturell zu identifizieren, die schon einmal gesehen wurden - zum Beispiel durch die Analyse von Standardverbindungen, die von Chemielieferanten gekauft wurden.

Die m/q-Wissenschaftler haben es auf die anderen 99 Prozent abgesehen, die noch nicht identifiziert worden sind.

In der neuesten Entwicklung hat ein Team unter der Leitung des Wissenschaftlers Adam Hollerbach zwei hochauflösende Instrumente in einem System kombiniert, um Moleküle in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden am 12. Juni online in der Zeitschrift Analytical Chemistry veröffentlicht.

Jetzt können Wissenschaftler mehrere wichtige Messungen über chemische Verbindungen in einem einzigen Experiment durchführen und so schneller, bequemer und genauer als bisher wichtige Informationen gewinnen.

Hollerbachs Technik gilt für Ionen - Moleküle, die entweder eine positive oder negative Ladung haben. Dadurch sind sie leichter zu kontrollieren und können mit Hilfe der Massenspektrometrie nachgewiesen werden.

Massenspektrometrie: Werkzeug der Ionenflüsterer

Wie die Menschen, die sie erforschen, haben auch Ionen viele Merkmale, die sie voneinander unterscheiden. Bei Menschen helfen uns Gewicht, Haarfarbe, Größe, Form, Augenfarbe und viele andere Merkmale dabei, sie zu erkennen. Bei Ionen gehören zu den Unterscheidungsmerkmalen Masse, Form, Größe, elektrische Ladung und chemische Zusammensetzung. Diese Merkmale dienen nicht nur zur Identifizierung, sondern auch als Anhaltspunkte für das Verhalten der zugehörigen Moleküle, z. B. für ihr Potenzial, Krankheiten zu heilen oder Schadstoffe zu absorbieren.

Dieses Verständnis sollte die Bemühungen zahlreicher Wissenschaftler am PNNL unterstützen, die sich auf die Erforschung der Auswirkungen von Mikroben auf das Klima konzentrieren. Mikroben spielen eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Elementen wie Kohlenstoff in andere Formen, die für den Planeten wichtig sind. Ihr Einfluss auf die Erwärmung oder Abkühlung des Planeten ist gewaltig. Aber die Wissenschaftler haben noch viel zu lernen.

"In einem einzigen Gramm Boden können Millionen von Mikroben vorkommen, und wir wissen nicht, wer die meisten von ihnen sind oder was sie tun. Es gibt noch eine Menge zu entdecken", sagt Metz. "Vom Standpunkt einer anspruchsvollen Wissenschaft aus betrachtet, ist dies entweder ein Worst-Case-Szenario oder eine unserer größten Chancen, je nachdem, wie man es betrachtet.

Diem/q-Wissenschaftler ergreifen diese Chance. Anstatt ihre Fragen im Rahmen der relativ kleinen Anzahl von Verbindungen zu stellen, die mit herkömmlichen Massenspektrometrie-Messungen identifiziert werden können, versuchen sie, die derzeitigen Beschränkungen zu überwinden und eine völlig neue Art der Identifizierung dessen zu schaffen, was heute noch unbekannt ist. Es ist ein bisschen so, wie wenn ein neues Teleskop in Betrieb genommen wird und mehrere verschiedene Sterne sichtbar macht, während vorher nur ein verschwommenes Durcheinander von Himmelskörpern zu sehen war.

Die Arbeit erfolgt sowohl experimentell, indem die Moleküle im Labor auf Herz und Nieren geprüft werden, als auch am Computer, wo die Wissenschaftler modellieren, was sie sehen und vorhersagen, was sie wahrscheinlich sehen werden.

Bei den in der Zeitschrift Analytical Chemistry beschriebenen Experimenten führten Hollerbach und Kollegen empfindliche Messungen von Peptiden und Lipiden durch. Bei den Experimenten wurden zwei Instrumente mit ähnlichen Namen kombiniert, die jedoch unterschiedliche Details über Ionen liefern. Beide werden in der Massenspektrometrie eingesetzt, einem Bereich, dessen Geschichte mit Entdeckungen von PNNL-Wissenschaftlern verwoben ist.

Das erste Instrument ist ein Massenspektrometer, das die Masse eines Ions, seine elektrische Ladung und die Art und Weise, wie das Ion zerfällt, misst. In dieser Studie verwendete das Team einen von Thermo-Fisher Scientific entwickelten Orbitrap. Solche Geräte sortieren Moleküle unterschiedlicher Masse gut, aber zwei Moleküle mit der gleichen Masse sind schwer zu trennen. Stellen Sie sich zwei Menschen vor, die jeweils 180 Pfund wiegen - einer ist groß und schlank, der andere klein und stämmig. Auf einer Waage allein wären sie unmöglich zu unterscheiden.

Ein SLIM-Ansatz: Ionenmobilitätsspektrometrie bringt handfeste Ergebnisse

Das zweite Instrument ist als SLIM bekannt: Strukturen für verlustfreie Ionenmanipulationen. SLIM wurde von dem PNNL-Wissenschaftler Richard D. Smith und seinen Kollegen entwickelt und ist ein Ionenmobilitätsspektrometer, das die Größe und elektrische Ladung eines Ions misst.

Das SLIM, das etwa die Größe eines Laptops hat und nur einen halben Zentimeter dick ist, ist ein Treibhaus molekularer Aktivität. Dutzende von langen, gewundenen Pfaden verwandeln das kleine Gerät in eine 42 Fuß lange molekulare Rennstrecke, auf der Ionen, die durch elektrische Felder streng kontrolliert werden, um einen ovalen Hindernisparcours rasen.

Die "Hindernisse" sind andere, bekannte Moleküle wie Helium- oder Stickstoffmoleküle. Während die untersuchten Ionen durch das SLIM-Gerät rasen, navigieren sie um die anderen Moleküle herum oder durch sie hindurch, wobei sie taumeln und ausweichen, ähnlich wie ein Football-Runner durch und um gegnerische Blocker herumläuft. Der Begriff "Ionenmobilitätsspektrometrie" fasst das Geschehen treffend zusammen.

Indem sie aufzeichnen, wie lange die Ionen brauchen, um den Kurs zu absolvieren, wie geschickt sie die blockierenden Ionen umgehen, erfahren die Wissenschaftler alles Mögliche über die Form und Größe der Ionen. Diese Informationen, die mit einem Standard-Massenspektrometer nicht verfügbar sind, werden mit Daten über die Masse, die elektrische Ladung und das Fragmentierungsmuster des Ions kombiniert. Insgesamt ergeben die Daten den Kollisionsquerschnitt des Ions, seine Molekularformel und sein Fragmentierungsmuster - Eigenschaften, die für das Verständnis der Struktur eines Moleküls von zentraler Bedeutung sind.

"Zwei verschiedene Moleküle können dieselbe Anzahl von Atomen, dieselbe Masse und Ladung haben, aber sie können sehr unterschiedliche Strukturen und Aktivitäten aufweisen. Genau hier kommt SLIM ins Spiel, um den Unterschied zu erkennen", so Hollerbach. "Nur eine kleine Veränderung kann den Unterschied zwischen einem Molekül, das auf eine Krankheit hinweist, und einem, das es nicht tut, ausmachen.

Der Schlüssel zu Hollerbachs Experiment lag darin, die beiden verschiedenen Instrumente so zu kombinieren, dass sie gut zusammenspielen. Sowohl die Standard-Massenspektrometrie als auch die Ionenmobilitätsspektrometrie analysieren zwar Ionen, aber sie arbeiten auf unterschiedlichen Zeitskalen. Die Ionen durchlaufen das SLIM und erreichen die Orbitrap schneller, als sie verarbeitet werden können.

Deshalb griff Hollerbach auf eine alte Technik zurück und setzte die "Dual-Gated Ion Injection" ein. Er fügte Tore hinzu, um den Einlass der Ionen in das System und ihre Ankunft in der Orbitrap zu kontrollieren, wobei er sich dafür entschied, einige der Ionen aus dem SLIM in die Vergessenheit zu schicken, um den Fluss auf einer überschaubaren Rate zu halten.

"Die Fragen, die wir uns stellen, sind eigentlich sehr einfach", sagt Hollerbach. "Was ist das, und wie viel ist es? Aber die Techniken, die wir verwenden, sind komplex."

Andere m/q-Wissenschaftler arbeiten an weiteren Möglichkeiten, unbekannte Moleküle zu identifizieren oder zu nutzen. Einige arbeiten daran, Daten wie die von Hollerbachs Experiment zu nutzen, um die Struktur eines Ions automatisch vorherzusagen, so dass Arzneimittelhersteller und andere Wissenschaftler genau wissen, womit sie es zu tun haben. Andere erforschen die Millionen von möglichen Formen von Verbindungen wie Fentanyl und sortieren aus, was unwahrscheinlich ist und was eines Tages auf der Straße auftauchen könnte. Dann sagen sie voraus, wie sich diese Verbindungen in einem Massenspektrometer verhalten würden - und schaffen so eine Möglichkeit, sie zu identifizieren, falls sie doch einmal auftauchen.