Skoltech masas spektrometrijas laboratoriju vada Krievijas Zinātņu akadēmijas korespondents loceklis
Kas atrodas dzīves procesu veidošanas centrā
DNS ir gara polimēru ķēde, kurā tiek glabāta informācija par to, kā ķermenim vajadzētu izskatīties un darboties.Tas ir, ar ko mēs atšķiramies no citām sugāmun kā divi vienas sugas indivīdi atšķiras viens no otra. Šīs molekulas nosaka mūsu unikalitāti. Ļaujiet man sniegt jums piemēru: kāpurs un tauriņš, kurā tas aug. Vai jūs domājat, ka viņu DNS molekulas ir atšķirīgas vai vienādas? Patiesībā pareizā atbilde ir: tas pats. Ģenētiskā informācija dzīves laikā nekādā veidā nemainās. Patiesībā, kāpēc kāpuri un tauriņi galu galā atšķiras? Jo ne visa DNS glabātā informācija tiek realizēta vienlaikus. Īstenošana notiek transkripcijas procesā, kā rezultātā pēc atsevišķu gēnu nolasīšanas ziņnesis RNS ļauj sintezēt proteīnus.
Olbaltumvielas ir universālas molekulāras mašīnas mūsu ķermenī, kas veic dažādas funkcijas: no uzbūves līdz regulējošām.Viena no novecojušajām dzīves definīcijām irolbaltumvielu molekulu sakārtota eksistence un mijiedarbība. Bet problēma ir tā, ka arī olbaltumvielu molekulas ir lielas. Olbaltumvielas ir arī polimēru molekulas ar lielu molekulmasu: parasti no 10 līdz vairākiem simtiem kilodaltonu. Un būvēt uz tiem pamata dzīvības procesus ir diezgan problemātiski, jo tie ir diezgan jutīgi pret temperatūras izmaiņām un ārējo vidi. Un tas, iespējams, ir iemesls, kāpēc gandrīz visi dzīvībai svarīgie procesi šūnā tiek realizēti caur mazām molekulām. Un mazo molekulu pārveidošanu savā starpā jau kontrolē olbaltumvielas. Šo mazo molekulu molekulmasa ir no vairākiem desmitiem līdz vairākiem simtiem kilodaltonu. Visas mazās molekulas, kas atrodas dzīvā organismā, sauc par metabolītiem.
1 daltons vai 1 atomu masas vienība (amu)- ārpussistēmas masas vienība, ko izmanto molekulu, atomu, atomu kodolu un elementārdaļiņu masām.
1. a. vienības = 1,660 539 066 60 (50) ⋅10−27 kg.
Primārie metabolīti ir ķīmiskas vielas, kas atrodas visās ķermeņa šūnās un ir nepieciešamas vitālo procesu uzturēšanai.Visas polimēru molekulas, olbaltumvielas unnukleīnskābes. Šie metabolīti ir vienādi visām viena organisma šūnām. Dzīves laikā metabolīti tiek pārvērsti viens otrā, piemēram, enerģijas pārneses nolūkos. Un šos transformācijas ceļus – transformācijas ķēdes – sauc par vielmaiņas ceļiem.
Krebsa cikls jeb trikarboksilskābes cikls ir atbildīgs par šūnu elpošanas procesu.
Dažādi vielmaiņas ceļi cilvēka ķermenī krustojas, tas ir, viņiem ir kopīgi dalībnieki.Tādējādi visi procesi, kas notiek ar metabolītiem, ir savstarpēji saistīti.
Sekundārie metabolīti ir vielas, kas nav nepieciešamas visām šūnām, lai nodrošinātu to vitālās funkcijas.Parasti tos izmanto, lai pielāgotos apstākļiemārējā vide. Piemēram, kafijas augi ražo kofeīnu, lai aizsargātu savas lapas no kaitēkļiem. Tie ir toksiski vabolēm, kas ēd kafijas augu lapas. Bet, ja mēs kaut kā noņemsim visu kofeīnu no auga, tas turpinās dzīvot. Nekādi dzīvībai svarīgi procesi netiks traucēti. Otrais piemērs ir antibiotikas. Jūs zināt, ka penicilīns ir pirmā antibiotika, un tas tika pilnīgi nejauši izolēts no pelējuma, kas radīja revolūciju medicīnā. Pelējums izmanto penicilīnu, lai atbrīvotu savu dzīves telpu. Tas ir nekaitīgs mātes organismam, bet toksisks citiem mikroorganismiem. Patiesībā cilvēki izmanto šo īpašumu, lai ārstētu dažādas bakteriālas infekcijas. Sakarā ar to, ka cilvēki aktīvi uzturā lieto augus, mūsu ķermenis ir blīvi apdzīvots ar dažādiem mikroorganismiem, kas veido mikrofloru. Šīs vielas ir ne tikai paša cilvēka, bet arī dzīvo organismu sekundāri metabolīti, kas neizbēgami nonāk mūsu organismā.
Dabiskais filtrs un kāpēc tas ir nepareizs
Ksenometabolīti ir antibiotikas, savienojumi, kas nav saistīti ar dzīvo organismu aktivitāti.Parasti tas ir kaut kas, ko cilvēks ir saņēmismākslīgi dažādiem mērķiem. Piemēram, medikamenti, pārtikas piedevas, uztura bagātinātāji, dopings, narkotikas, tabakas sadegšanas produkti, alkohols vai higiēnas preces, sadzīves ķīmija, ekotoksikanti. Tās arī ir mazas molekulas, un tās nonāk organismā gan apzināti, zāļu gadījumā, gan nejauši. Piemēram, jūs iztīrījāt zobus, norijāt zobu pastu – un tā jūsu sistēmā ienāca jaunas ķīmiskas vielas. Un daudzām no šīm vielām var būt noteikta ietekme uz mūsu ķermeni pat ļoti mazās koncentrācijās. Turklāt šī ietekme var būt pozitīva vai negatīva, vai arī mainīties atkarībā no šīs vielas daudzuma.
Aknas ir pirmais šķērslis ārvalstu ķīmisko vielu iekļūšanai sistēmiskajā cirkulācijā.Tas mēģina izfiltrēt molekulas, kasķermenim tiks nodarīts kaitējums un tie tiks noņemti, neļaujot tiem tālāk caur asinsriti nonākt orgānos. Aknām ir daudz filtrācijas mehānismu, taču neviens no tiem nedarbojas 100%: pretējā gadījumā nebūtu saindēšanās un nopietnu toksīnu vai zāļu lietošanas sekas. Tomēr aknas izmanto to, ka mūsu ķermenis lielākoties sastāv no ūdens, tas ir, tas sastāv no 80 procentiem ūdens. Tāpēc aknas mēģina sakārtot molekulas hidrofilās, kas šķīst ūdenī, un hidrofobās. Aknas “uzskata”, ka, ja viela ir hidrofila, tā var tālāk nonākt sistēmiskajā cirkulācijā, jo tai nevajadzētu radīt lielu kaitējumu. Un, ja viela ir hidrofoba, tad ar to kaut kas jādara, lai novērstu tās tālāku izdalīšanos vai vismaz padarītu to hidrofilāku.
Aknām ir divi mehānismi – vielmaiņas fāzes.Pirmajā fāzē aknas cenšasīpašie citohroma P450 saimes proteīni un fermenti oksidē šīs vielas. Oksidācijas rezultātā mainās molekulas struktūra un tā var kļūt hidrofilāka. Aknas pēc tam var atbrīvot šos metabolītus asinsritē vai mēģināt izvadīt tos caur nierēm ar urīnu vai caur zarnām. Ja tas nelīdz, aknas var uz šīm oksidētajām molekulām “uzšūt” gatavas, garantēti ūdenī šķīstošas molekulas.
Aknu metabolisms palielina mazo molekulu daudzveidību, kas var nonākt mūsu ķermenī.Piemēram, oksidēšanās stadijā no vienas molekulas teorētiski tiek veidotas vairāk nekā 500 dažādas citas jaunas molekulas; nav iespējams paredzēt, kuras no tām veidojas un kuras nav.
Bezgalīgais alfabēts: kāpēc ir tik grūti pētīt metabolītus
Nukleīnskābes var attēlot kā piecu burtu alfabētu, no kura ir izveidota liela teksta virkne.Jā, protams, burtu secība šajālīnija var būt samērā haotiska, lai gan dzīves laikā DNS nemainās, bet tiek vienkārši nokopēta. Tāpēc mums ir noteikti ierobežojumi attiecībā uz to, kāda būs šī virkne. Olbaltumvielu gadījumā situācija ir nedaudz sarežģītāka: alfabētā jau būs 20 burti, tas ir, 20 aminoskābes, no kurām tiek veidoti proteīni, bet tas notiek arī piespiedu kārtā. Tāpēc arī šie objekti no pētnieka viedokļa ir diezgan līdzīgi viens otram. Un metabolītu gadījumā ir ārkārtīgi problemātiski izcelt jebkuru alfabētu: patiesībā šī ir visa periodiskā tabula. Un starp veidošanās noteikumiem - tikai valences noteikums. Turklāt ir oglekļa ķīmijas iezīme, kas ļauj diviem oglekļa atomiem savienoties savā starpā un pēc tam pievienot neierobežotu skaitu oglekļa atomu vai citu atomu no periodiskās tabulas, kas rada milzīgu šādu molekulu ķīmisko daudzveidību.
Lai pētītu tik mazas molekulas un visu to daudzveidību, ir nepieciešamas īpašas metodes.Ir vienkārši:piemēram, organoleptiskā analīze, ar kuru ir sastapies ikviens, kurš ir veicis vispārējo asins vai urīna analīzi un redzējis, ka virzienā ir līnija “smarža, krāsa”. Kad šķīdumā nepieciešams atrast konkrētu molekulu, tiek pievienots piliens iepriekš izvēlēta reaģenta. Ja šķīdumā bija molekula, notiks krāsa, ja tā nebija, parādīsies tikai nogulsnes. Starp vienkāršajām metodēm ir arī optiskā spektroskopija, kad ar mikroskopu var izdarīt secinājumus no nogulumu struktūras. Tagad diezgan populāras ir imūnķīmiskās metodes: tas ir tas pats COVID-19 ELISA tests.
Omikas pētījumi ir tie pētījumi, kuros tiek pētīta visa populācija.Un metabolomika nozīmē lielu analīzidati, kas attēlo visu mazo molekulu kopumu organismā, šūnā vai orgānā. Šo datu kopa pēc dažādām aplēsēm atšķiras no vairākiem tūkstošiem, ja ņemam vērā tikai primāros metabolītus, līdz vairākiem desmitiem tūkstošu, ja tiem pievienojam zināmu augu, baktēriju un sēņu sekundāros metabolītus. Patiesībā līdz pat vairākiem simtiem miljonu, ja ņemam vērā visu ķīmisko daudzveidību, kas var nonākt cilvēka ķermenī. Un, lai tos izpētītu, ir nepieciešamas īpašas metodes: kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) spektroskopija un masu spektrometrija.
KMR 80 gadu ilgajā vēsturē zinātnieki, kas iesaistīti šajā metodē, ir saņēmuši piecas Nobela prēmijas.Četri - par KMR, bet piektā - parmagnētiskās rezonanses attēlveidošanas. Metode nedaudz atšķiras no KMR spektroskopijas, bet principā ļoti līdzīga. KMR metode balstās uz faktu, ka dažiem periodiskās tabulas atomiem magnētiskais moments nav nulle. Tie ir mazi magnēti un var mijiedarboties ar ārēju magnētisko lauku. Šī mijiedarbība izpaužas enerģijas līmeņu sadalīšanā. KMR metode ļauj atšķirt dažādus atomus un viena un tā paša elementa atomus, bet dažādās vidēs. Pēdējā laikā KMR ir zaudējusi popularitāti, galvenokārt tā augsto izmaksu dēļ.
Kā no sarežģīta maisījuma pagatavot uzlādētas daļiņas un uzzināt to sastāvu
Masu spektrometrija ir metode lādētu daļiņu atdalīšanai, mijiedarbojoties ar elektromagnētisko lauku.Ja ņemam kādu sarežģītu maisījumu, kas sastāv nodažādas lādētas daļiņas, un gandrīz jebkuru molekulu ar modernām masas spektrometrijas metodēm var pārvērst lādētā formā, pievienojot tai protonu vai noņemot protonu no tā un šim maisījumam pieliekot elektromagnētisko lauku, tad sāksies daļiņas šajā laukā. lai pārvietotos, un tiem būs vai nu ātrums, vai trajektorija atkarībā no masas. Vieglās daļiņas detektorā nonāks agrāk nekā smagās. Pēc detektora datu apstrādes tiek iegūts masas spektrs, kurā pa Y asi būs signāla intensitāte, kas ir proporcionāla jonu skaitam, bet pa X asi - masa jonos, pareizāk sakot, masas un lādiņa attiecība. Turklāt masu spektrometrija ļauj izmērīt masu ar ļoti augstu precizitāti. Tas nozīmē, ka ir iespējams nepārprotami noteikt jonu, lādētu daļiņu vai molekulas elementāro sastāvu, no kuras tas veidojies. Matemātiski to sauc par Diofantīna vienādojuma atrisināšanu veselos skaitļos: patiesībā šī ir koeficientu atlase katra atoma tuvumā: m(C), m(H), k(O), z(N). Un tikai viena veselu skaitļu m, n, k, z kombinācija var dot masu, ko mēra ar masas spektrometru.
Masu spektrometrijas metodi divdesmitā gadsimta sākumā ierosināja Tompsons.Zinātnieki samontēja pasaulē pirmo masas spektrometru unar viņa palīdzību viņš veica lielisku atklājumu: viņš eksperimentāli apstiprināja izotopu esamību. No otras puses, viņš nespēja sniegt pareizu savu rezultātu interpretāciju. Viņa skolnieks Viljams Astons to izdarīja viņa vietā: 1922. gadā viņš saņēma Nobela prēmiju par šo atklājumu. 20. gadsimtā, pateicoties virknei pasaules karu, masu spektrometrija attīstījās kā militārā metode. Attīstības sākumā tas atrada savu galveno pielietojumu kodolrūpniecībā. Tā kā masas spektrometrija var atdalīt vielas pēc masas un noteikt izotopus, to var izmantot, lai atdalītu izotopus, piemēram, urānu. Par masu spektrometriju tika piešķirtas vēl divas Nobela prēmijas: 1989. gadā - Volfgangs Pols un Hanss Dehmelts, bet pēc tam 2002. gadā - īstu revolūciju neatkarīgi veica Džons Fens un Kaiši Tanaka. Viņi ierosināja savu metodi, kas ļauj iegūt lādētu daļiņu no lielas polimēra molekulas: no olbaltumvielām vai nukleīnskābēm, to neiznīcinot. Tas deva stimulu pētījumam. Tagad neviena laboratorija – bioķīmiskās vai molekulārās bioloģijas laboratorija – nevar darboties bez sava masas spektrometra vai bez labi aprīkota koplietošanas centra institūtā.
Nosakot jona masu, mēs varam noteikt tikai elementu sastāvu, bet ne molekulu struktūru.Jo viens dažādu struktūru elementu sastāvs var atbilst milzīgam skaitam. Tas ir, atomi molekulā var tikt sakārtoti dažādos veidos. To sauc par izomērijas fenomenu.
Masu spektrometri ir izdomājuši metodi, kas ļauj iegūt nedaudz vairāk informācijas par molekulas struktūru: lidojošu paātrinātu molekulu ceļā tiek ievietots noteikts šķērslis.Parasti tās ir gāzes molekulas.Kad molekulas saduras ar šīm gāzes molekulām, tās var sadalīties no sadursmes. Un tad masas spektrometrs mēra masu nevis sākotnējai molekulai, bet gan gabaliem, kuros tā sadalījās. Un šī sabrukšana nenotiek nejauši, bet gan pa vājākajām molekulas saitēm. Iegūtie fragmenti ir identiski, un tie ir molekulāri pirkstu nospiedumi: unikāli katrai molekulai.
Hromatogrāfija ir metode vielu atdalīšanai, pamatojoties uz to mijiedarbību ar sorbentiem.Sorbenti ir kaut kas, kas var absorbētcitas ķīmiskas vielas, un visvienkāršākā ir aktīvā ogle, ko ņemam saindējoties. 20. gadsimta sākumā krievu zinātnieks Mihails Cvets demonstrēja, ka, ja šādu dabīgu krāsvielu izlaiž cauri kolonnai, kas piepildīta ar krītu, tad viena liela zaļa izsmērēta plankuma vietā iegūsit vairākus daudzkrāsainus plankumus: no dzeltenas līdz zaļš. Tādējādi viņš, pirmkārt, saprata, ka zaļā krāsviela no lapām ir dažādu vielu maisījums. Un, otrkārt, viņš atklāja hromatogrāfiju, par kuru 1952. gadā citiem zinātniekiem, kas viņa metodi ieviesa kādā modernā formā, tika piešķirta Nobela prēmija. Mūsdienu hromatogrāfijā maisījums tiek izvadīts caur kolonnu, izmantojot šķidrumu vai gāzi, atkarībā no hromatogrāfijas veida. Šķidrums “velk” molekulas uz priekšu, kolonnas izejas virzienā, un sorbents dažādos veidos traucē katrai molekulai. Tie galu galā atstāj kolonnu dažādos laikos, ko var reģistrēt un izmantot kā citu pirkstu nospiedumu identifikācijai.
Sākot no cerebrospināla šķidruma izmeklēšanas līdz sauso asiņu metodei
Masu spektrometrija ir vienīgā pieejamā metode cerebrospināla šķidruma izpētei.Dažos sarežģītos gadījumos diagnozeislimībām, nepieciešama punkcija, mugurkaula caurduršana un cerebrospinālā šķidruma paraugs. Bet problēma ir tā, ka vidēji cilvēkam ir tikai 120 ml cerebrospinālā šķidruma. Un šis šķidrums ir zem spiediena, tāpēc pat 1 ml uzņemšana būtiski ietekmē šo spiedienu un var radīt neatgriezeniskas sekas organismam. Tāpēc patiesībā paraugus var ņemt tikai no dažiem mikrolitriem. Neviena no esošajām metodēm, izņemot masas spektrometriju, nevar apstrādāt tik mazus paraugu daudzumus, jo jo mazāks ir paraugs, jo mazāk molekulu tajā ir un jo jutīgākam ir jābūt jūsu aprīkojumam. Masspektrometrijas jutīgums parasti tam ir pietiekams. Pēc savākšanas paraugu noņem no mehāniskiem ieslēgumiem un olbaltumvielām, lai izvairītos no iekārtu bojājumiem. Pēc analīzes rezultāts tiek apstrādāts ar datoru un tiek iegūts “iezīmju saraksts”: izvade ir aptuveni 10–15 tūkstoši rindu. Kolonnas veido formulu, ko mēs definējam ar precīzu masu, intensitāti, kas ir proporcionāla šīs molekulas daudzumam, un “pirkstu nospiedumu”.
Tiešākā metode, kā to piemērotmetabolomikas masas spektrometrijas eksperiments - slimu un veselu cilvēku salīdzināšana, lai noteiktu, kuras molekulas parādās, parādās un maina to koncentrāciju, kad rodas šāda atšķirība.Parasti ir divas grupas:veseliem cilvēkiem un cilvēkiem ar kādu mūs interesējošu slimību, piemēram, ar specifisku onkoloģijas formu. Katram paraugam tiek iegūtas šādas plāksnes, un tad matemātiķi tās salīdzina un vizualizē, lai atrastu atšķirības starp tām.
Masu spektrometrijas pirmais pielietojums ir jaundzimušo skrīnings.Katrs jaundzimušais, pēc Veselības ministrijas rīkojuma ar2006, viņiem ir jāveic noteiktas iedzimtu slimību pārbaudes. Tagad jebkurā gadījumā Maskavā viņi pārbauda vismaz 16 dažādas slimības. Tādas slimības ir, un tās nereti izpaužas jau no pirmajām dzīves minūtēm, kuras, laicīgi neapstājoties, nedēļas vai dažu dienu laikā var padarīt bērnu par invalīdu uz mūžu. Tāpēc šāda diagnostika jāveic pirmajās jaundzimušā dzīves stundās. Gandrīz visu šo slimību biomarķieri ir mazas molekulas metabolīti. Tas ir, slimības izpaužas kā vielmaiņas traucējumi, piemēram, noteiktu organisko skābju vai noteiktu lipīdu uzkrāšanās asinīs. Un, protams, šī uzkrāšanās notiek ļoti mazās koncentrācijās, no tām ir jāatzīst vielmaiņas izmaiņu atšķirības. Tāpēc, izņemot masu spektrometriju, neviena cita metode šeit nedarbosies.
Lai atrisinātu bērnu asiņu savākšanas problēmu (nav tik liels asiņu daudzums un bērnu bailes no invazīvām metodēm un ārstiem), viņi nāca klajā ar tehnoloģiju žāvētu asins plankumu analīzei.Tiek veikta neliela punkcija un viena vai vairākasdivus pilienus asiņu tieši uz neliela filtrpapīra gabala. Asins tilpums šeit ir vairāki mikrolitri. Pēc tam šo karti izžāvē un nosūta uz laboratoriju, un arī nosūtīšana ir ļoti ērta: paraugs nav jāsasaldē vai jāatkausē. Vienkārši izšķīdiniet šo karti analīzei, un dažu stundu laikā analīze būs gatava.
Vēl viena masas spektrometrijas pielietojuma joma ir personalizētā medicīna.Visas mūsu vielas nonāk aknās un aknāskaut kā tos metabolizē. Turklāt mūsu aknas mums visiem darbojas atšķirīgi, ne tikai dažu slimību vai sliktu ieradumu dēļ. Piemēram, greipfrūtu sula var būtiski ietekmēt jūsu vielmaiņu; tā inhibē dažus enzīmus, un rezultātā dažu zāļu koncentrācija var būt vairākas reizes augstāka, nekā gaidīts. Dažiem cilvēkiem šī koncentrācija asinīs būs pēc zāļu lietošanas, bet citiem tā būs divreiz lielāka. Izrādās, ka deva jāsamazina uz pusi, lai neradītu lieku kaitējumu organismam. Līdz ar to pāreja uz personalizēto medicīnu. Jūs lietojat tableti, jūsu asinis tiek ņemtas katru stundu, un viņi skatās uz līkni: kā viela laika gaitā pārvietojas pa jūsu ķermeni, kāda ir tās koncentrācija asinīs. Pēc tam ārsts var pielāgot devu vai pat pārtraukt zāļu lietošanu un izrakstīt citas zāles. Un šajā gadījumā ļoti aktīvi tiek izmantota arī sauso asiņu analīze.
Jebkuras jaunas zāles, kas nonāk tirgū, noteikti iziet vielmaiņas izpētes posmu.Dažas zāles var nebūt ļoti toksiskas,bet aknu sadalīšanās un dažu kļūdu rezultātā šīs vielas var pārvērsties par vēl toksiskākām. Vienkāršākais piemērs ir paracetamols. Paracetamola lietošanas instrukcijā teikts, ka to nedrīkst dot maziem bērniem. Ka maziem bērniem drīkst dot tikai ibuprofēnu. Un iemesls tam ir šīs molekulas uzkrāšanās aknās, kam vielmaiņas rezultātā ir toksiska iedarbība. Pieaugušam cilvēkam ar labi attīstītām aknām šī toksiskā iedarbība nav īpaši jūtama, lai gan, protams, arī burciņās paracetamolu nevajadzētu norīt. Maziem bērniem tas faktiski var novest pie visdažādākajām nepatīkamām un pat neatgriezeniskām sekām. Tāpēc katrai jaunai narkotikai ir jāizpēta vielmaiņa.
Attēlveidošana ir vadīšanas veidsmasas spektrometriskā analīze, kad iegūstam informāciju ne tikai par viendabīgu, bet arī neviendabīgu paraugu un varam pētīt tā molekulāro sastāvu telpā.Ir tik interesants piemērs studijāmzāļu un tā metabolītu izplatība žurku ķermenī. Eksperimentu veic šādi: žurkai tiek ievadītas noteiktas zāles, pēc vairākām stundām dzīvnieks tiek eitanizēts un pēc tam dzīvnieks tiek smalki sagriezts pa visu ķermeni. Un tad īpaša masu spektrometrijas tehnika ļauj izpētīt katra šī parauga punkta molekulāro sastāvu. Pēc datorapstrādes ir iespējams vizualizēt, kur metabolīti ir uzkrājušies. Ir svarīgi izpētīt metabolītu sadalījumu, jo, ja lietojat pneimonijas zāles, ir svarīgi, lai tas nonāktu plaušās, nevis smadzenēs. Masas spektrometriskais skalpelis ir "nazis", kas izsūc molekulas no griezuma vietas, un pēc tam, izmantojot datortehnoloģiju, ir iespējams noteikt, kurš ķirurgs griež audus: slims vai vesels. Šī metode tagad tiek ieviesta Amerikas Savienotajās Valstīs, un pirmā reālā operācija ar šādu nazi jau ir veikta.
Pirkstu nospiedumi katrai molekulai
Problēma ir tā, ka vairāki simti vai pat tūkstoši ķīmisko savienojumu var atbilst vienam elementa sastāvam.Tāpēc ir nepieciešams identificēt visas rindastabulām, un tas ir mūsdienu metabolomiskās analīzes galvenais uzdevums; diemžēl tas nav pilnībā atrisināts. Molekulārie pirkstu nospiedumi tiek salīdzināti ar tiem, kas atrodami ķīmisko molekulu datu bāzēs. Ja tie sakrīt, mēs varam ar zināmu pārliecību teikt, ka šī ir īstā molekula. Taču šādās datubāzēs ir ļoti ierobežots vielu skaits. Pilnajā pirkstu nospiedumu datu bāzē ir aptuveni 20–30 tūkstoši savienojumu, tā pat neaptver visus primāros un sekundāros metabolītus, kas atrodas cilvēka organismā. Ir vēl viena problēma: lai papildinātu šo datubāzi, nepieciešama tīra ķīmiska viela, un tās parasti ir dārgas. Tas ir, viena tīra ķīmiska viela parasti maksā vairākus desmitus vai simtus dolāru.
Viena no identifikācijas metodēm ir jaunu pirkstu nospiedumu izveidošana.Piemēram, tagad metode tiek aktīvi attīstītajonu mobilitātes spektrometrija. Kamēr masas spektrometrija dala jonus pēc masas, jonu mobilitāte ļauj tos atdalīt pēc izmēra. Tas ir, ja tev ir divi skrējēji - nevis smagais un vieglais, bet gan lielais un mazais, un uzliek viņiem kādu šķērsli - piemēram, tīklu ar šūnām, tad slaids sportists ātri izlīst cauri šim tīklam un sasniedz finišu, bet resnais gribas Kamēr viņš netiks ārā no šī tīkla, viņš pēc kāda laika atnāks skriet.
Otra metode ir mēģināt atrast pirkstu nospiedumus, kuru identificēšanai nav nepieciešami tīri standarti.Laboratorijā piedāvājam izmantot tā saukto izotopu apmaiņu.
Piemēram, ja mēs skatāmies uz šādu molekulu, tadmēs redzēsim, ka tajā ir ūdeņraža atomi, kas saistīti ar skābekli. Tātad, tie ir īpaši. Viņi var atstāt šo molekulu un atgriezties pie tās. Ja mums šī molekula ir izšķīdināta ūdenī, tad ūdeņradis var atstāt molekulu, un ūdeņradis var atgriezties no ūdens. Un, ja mēs ņemam ne tikai ūdeni, bet arī smago ūdeni, kur ūdeņraža vietā ir deitērijs, tad ūdeņradis var atstāt molekulu, un tā vietā var būt deitērijs. Ir zināms, ka deitērijs no ūdeņraža atšķiras ar molekulmasu vienībā, un masas spektrometrs var redzēt šādu nobīdi. Vienkārši saskaitot šādu ūdeņražu skaitu, var pateikt, vai tā ir vajadzīga vai nevajadzīga molekula, vai mēs to pareizi identificējām vai nē.
Mākslīgo intelektu var izmantot molekulu identificēšanai.Pamatojoties uz pieejamo informāciju, varat pabeigttrūkstošās informācijas datu bāzes, izmantojot dziļās mācīšanās metodes. Tas ir, mēs apmācām modeli, un tas, pamatojoties uz molekulas struktūru, prognozē nepieciešamos pirkstu nospiedumus, kurus pēc tam varam izmantot, lai salīdzinātu ar eksperimentā iegūto.
Skatiet arī:
Urāns ir saņēmis visdīvainākās Saules sistēmas planētas statusu. Kāpēc?
Cilvēks var izturēt ļoti zemu temperatūru arī bez siltuma avotiem
Fiziķi ir izveidojuši melnā cauruma analogu un apstiprinājuši Hokinga teoriju. Kur tas ved?