Het massaspectrometrielaboratorium van Skoltech wordt geleid door een corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen
Wat de kern vormt van het opbouwen van levensprocessen
DNA is een lange polymeerketen die informatie opslaat over hoe het lichaam eruit moet zien en functioneren.Dat wil zeggen, waarin wij verschillen van andere soortenen hoe twee individuen van dezelfde soort van elkaar verschillen. Deze moleculen bepalen onze uniciteit. Ik zal u een voorbeeld geven: een rups en de vlinder waaruit hij uitgroeit. Denk je dat hun DNA-moleculen verschillend of hetzelfde zijn? Het juiste antwoord is eigenlijk: hetzelfde. Genetische informatie verandert op geen enkele manier tijdens het leven. Waarom zijn rupsen en vlinders uiteindelijk anders? Omdat niet alle informatie die in DNA is opgeslagen tegelijkertijd wordt gerealiseerd. Implementatie vindt plaats via het transcriptieproces, waardoor messenger-RNA, na het lezen van individuele genen, de synthese van eiwitten mogelijk maakt.
Eiwitten zijn universele moleculaire machines in ons lichaam die verschillende functies vervullen: van constructie tot regulering.Een van de verouderde definities van leven isgeordend bestaan en interactie van eiwitmoleculen. Maar het probleem is dat eiwitmoleculen ook groot zijn. Eiwitten zijn ook polymeermoleculen met een groot molecuulgewicht: meestal van 10 tot enkele honderden kilodalton. En het erop bouwen van fundamentele levensprocessen is behoorlijk problematisch, omdat ze behoorlijk gevoelig zijn voor veranderingen in temperatuur en de externe omgeving. En dit is waarschijnlijk de reden waarom bijna alle vitale processen in een cel worden gerealiseerd door kleine moleculen. En de transformatie van kleine moleculen in elkaar wordt al gecontroleerd door eiwitten. Het molecuulgewicht van deze kleine moleculen varieert van enkele tientallen tot enkele honderden kilodaltons. Alle kleine moleculen die in een levend organisme worden aangetroffen, worden metabolieten genoemd.
1 dalton of 1 atomaire massa-eenheid (amu)- een massa-eenheid buiten het systeem die wordt gebruikt voor de massa's van moleculen, atomen, atoomkernen en elementaire deeltjes.
1 een. eenheden = 1.660 539066 60 (50) ⋅10−27 kg.
Primaire metabolieten zijn chemicaliën die in alle cellen van het lichaam worden aangetroffen en die nodig zijn voor het in stand houden van vitale processen.Alle polymeermoleculen, eiwitten ennucleïnezuren. Deze metabolieten zijn hetzelfde voor alle cellen van één organisme. Tijdens het leven worden metabolieten in elkaar omgezet, bijvoorbeeld ten behoeve van energieoverdracht. En deze transformatiepaden – transformatieketens – worden metabolische routes genoemd.
De Krebs-cyclus, of de tricarbonzuurcyclus, is verantwoordelijk voor het proces van cellulaire ademhaling.
Verschillende metabolische routes in het menselijk lichaam kruisen elkaar, dat wil zeggen dat ze gemeenschappelijke deelnemers hebben.Alle processen die plaatsvinden bij metabolieten zijn dus met elkaar verbonden.
Secundaire metabolieten zijn stoffen die niet voor alle cellen nodig zijn om hun vitale functies te waarborgen.Ze worden meestal gebruikt om zich aan te passen aan de omstandighedenexterne omgeving. Koffieplanten produceren bijvoorbeeld cafeïne om hun bladeren tegen ongedierte te beschermen. Ze zijn giftig voor kevers die de bladeren van koffieplanten eten. Maar als we op de een of andere manier alle cafeïne uit de plant verwijderen, zal deze blijven leven. Er worden geen vitale processen verstoord. Het tweede voorbeeld zijn antibiotica. U weet dat penicilline het eerste antibioticum is, en dat het volledig per ongeluk uit schimmels werd geïsoleerd, wat een revolutie teweegbracht in de geneeskunde. Schimmels gebruiken penicilline om hun leefruimte vrij te maken. Het is onschadelijk voor het ouderorganisme, maar giftig voor andere micro-organismen. Eigenlijk gebruiken mensen deze eigenschap om verschillende bacteriële infecties te behandelen. Vanwege het feit dat mensen actief planten als voedsel consumeren, is ons lichaam dichtbevolkt met verschillende micro-organismen die microflora vormen. Deze stoffen zijn secundaire metabolieten, niet alleen van de persoon zelf, maar ook van levende organismen die onvermijdelijk ons lichaam binnendringen.
Het natuurlijke filter en waarom het verkeerd is
Xenometabolieten zijn antibiotica, verbindingen die niet in verband worden gebracht met de activiteit van levende organismen.Het is meestal iets dat iemand heeft ontvangenkunstmatig voor verschillende doeleinden. Bijvoorbeeld medicijnen, voedseladditieven, voedingssupplementen, doping, drugs, tabaksverbrandingsproducten, alcohol- of hygiëneproducten, huishoudelijke chemicaliën, ecotoxische stoffen. Dit zijn ook kleine moleculen en ze komen zowel opzettelijk, in het geval van medicijnen, als per ongeluk het lichaam binnen. U poetste bijvoorbeeld uw tanden, slikte tandpasta - en zo kwamen er nieuwe chemicaliën in uw systeem. En veel van deze stoffen kunnen, zelfs in zeer kleine concentraties, bepaalde effecten op ons lichaam hebben. Bovendien kan dit effect positief of negatief zijn of variëren afhankelijk van de hoeveelheid van deze stof.
De lever is de eerste barrière voor het binnendringen van vreemde chemicaliën in de systemische circulatie.Het probeert moleculen eruit te filterenhet lichaam zal schade oplopen en deze verwijderen, waardoor wordt voorkomen dat ze via de bloedbaan verder in de organen terechtkomen. De lever beschikt over veel filtratiemechanismen, maar geen daarvan werkt 100%: anders zou er geen sprake zijn van vergiftiging en van ernstige gevolgen als je gifstoffen of medicijnen gebruikt. De lever profiteert echter van het feit dat ons lichaam grotendeels uit water bestaat, dat wil zeggen dat het voor 80 procent uit water bestaat. Daarom probeert de lever de moleculen te sorteren in hydrofiele, die oplossen in water, en hydrofobe. De lever ‘gelooft’ dat als de stof hydrofiel is, deze verder in de systemische circulatie kan worden vrijgegeven, omdat deze niet veel schade zou moeten aanrichten. En als een stof hydrofoob is, dan moet er iets mee gedaan worden om te voorkomen dat deze verder vrijkomt of in ieder geval hydrofieler te maken.
De lever heeft twee mechanismen: metabolische fasen.In de eerste fase probeert de lever dat te doenspeciale eiwitten en enzymen van de cytochroom P450-familie oxideren deze stoffen. Als gevolg van oxidatie verandert de structuur van het molecuul en kan het hydrofieler worden. De lever kan deze metabolieten vervolgens in de bloedbaan afgeven of proberen ze via de nieren via de urine of via de darmen te verwijderen. Als dit niet lukt, kan de lever kant-en-klare, gegarandeerd wateroplosbare moleculen op deze geoxideerde moleculen ‘naaien’.
Het levermetabolisme vergroot de diversiteit aan kleine moleculen die in ons lichaam terecht kunnen komen.In het oxidatiestadium worden bijvoorbeeld theoretisch meer dan 500 verschillende nieuwe andere moleculen gevormd uit één molecuul; het is niet mogelijk om te voorspellen welke ervan worden gevormd en welke niet.
Het oneindige alfabet: waarom het zo moeilijk is om metabolieten te bestuderen
Nucleïnezuren kunnen worden weergegeven als een vijfletterig alfabet waaruit een grote tekstreeks is opgebouwd.Ja, natuurlijk, de volgorde van letters hierinlijn kan relatief chaotisch zijn, hoewel het DNA tijdens het leven niet verandert, maar eenvoudigweg wordt gekopieerd. We hebben dus bepaalde beperkingen voor wat deze string zal zijn. In het geval van eiwitten is de situatie iets ingewikkelder: er zullen al 20 letters in het alfabet zijn, dat wil zeggen 20 aminozuren waaruit eiwitten zijn opgebouwd, maar dit gebeurt ook onvrijwillig. Daarom lijken deze objecten vanuit het oogpunt van de onderzoeker ook behoorlijk op elkaar. En in het geval van metabolieten is het uiterst problematisch om welk alfabet dan ook uit te kiezen: in feite is dit het hele periodiek systeem. En onder de regels van vorming - alleen de regel van valentie. Bovendien is er een kenmerk van de koolstofchemie waardoor twee koolstofatomen zich met elkaar kunnen binden en vervolgens een onbeperkt aantal koolstofatomen of andere atomen uit het periodiek systeem kunnen toevoegen, wat aanleiding geeft tot een enorme chemische diversiteit van dergelijke moleculen.
Om zulke kleine moleculen en al hun verscheidenheid te bestuderen, zijn speciale methoden vereist.Er zijn eenvoudige:bijvoorbeeld een organoleptische analyse, waarbij iedereen die een algemene bloed- of urinetest heeft gedaan en zag dat er een lijntje “geur, kleur” in de richting zit, is tegengekomen. Wanneer het nodig is om een specifiek molecuul in een oplossing te vinden, wordt een druppel van een vooraf geselecteerd reagens toegevoegd. Als er een molecuul in de oplossing zat, zal er verkleuring optreden; als dat niet het geval is, zal er alleen een neerslag verschijnen. Tot de eenvoudige methoden behoort ook optische spectroscopie, waarbij je een microscoop kunt gebruiken om conclusies te trekken uit de structuur van het sediment. Tegenwoordig zijn immunochemische methoden behoorlijk populair: dit is dezelfde ELISA-test voor COVID-19.
Omics-onderzoeken zijn onderzoeken die een volledige populatie bestuderen.En metabolomics impliceert de analyse van grotegegevens die de complete set van kleine moleculen in een organisme, cel of orgaan vertegenwoordigen. De verzameling van deze gegevens varieert volgens verschillende schattingen van enkele duizenden, als we alleen de primaire metabolieten beschouwen, tot enkele tienduizenden, als we secundaire metabolieten van bekende planten, bacteriën en schimmels eraan toevoegen. In feite wel enkele honderden miljoenen, als we rekening houden met alle chemische diversiteit die het menselijk lichaam kan binnendringen. En om ze te bestuderen zijn speciale methoden nodig: nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en massaspectrometrie.
Gedurende de 80-jarige geschiedenis van NMR hebben wetenschappers die bij deze methode betrokken zijn vijf Nobelprijzen ontvangen.Vier - voor NMR, en de vijfde - voormagnetische resonantie beeldvorming. Een methode die enigszins verschilt van NMR-spectroscopie, maar in principe zeer vergelijkbaar is. De NMR-methode is gebaseerd op het feit dat sommige atomen in het periodiek systeem een magnetisch moment hebben dat niet nul is. Het zijn kleine magneten en kunnen interageren met een extern magnetisch veld. Deze interactie manifesteert zich in de splitsing van energieniveaus. Met de NMR-methode kan onderscheid worden gemaakt tussen verschillende atomen en atomen van hetzelfde element, maar in verschillende omgevingen. Onlangs heeft NMR aan populariteit verloren, voornamelijk vanwege de hoge kosten.
Hoe je geladen deeltjes maakt uit een complex mengsel en ontdek hoe ze zijn samengesteld
Massaspectrometrie is een methode om geladen deeltjes te scheiden door interactie met een elektromagnetisch veld.Als we een complex mengsel nemen bestaande uitverschillende geladen deeltjes, en bijna elk molecuul met moderne massaspectrometriemethoden kan worden omgezet in een geladen vorm door er een proton aan toe te voegen of er een proton uit te verwijderen, en een elektromagnetisch veld op dit mengsel aan te leggen, dan zullen de deeltjes in dit veld beginnen om te bewegen en ze zullen snelheid hebben, of een traject afhankelijk van de massa. Lichte deeltjes zullen eerder bij de detector aankomen dan zware deeltjes. Na verwerking van de gegevens van de detector wordt een massaspectrum verkregen, waarin langs de Y-as de signaalintensiteit zal zijn, die evenredig is met het aantal ionen, en langs de X-as - de massa in de ionen, of beter gezegd, de verhouding tussen massa en lading. Bovendien kunt u met massaspectrometrie massa met een zeer hoge nauwkeurigheid meten. Dit betekent dat het mogelijk is om op ondubbelzinnige wijze de elementaire samenstelling vast te stellen van het ion, de geladen deeltjes of het molecuul waaruit het is gevormd. Wiskundig gezien wordt dit het oplossen van de Diophantische vergelijking in gehele getallen genoemd: in feite is dit een selectie van coëfficiënten nabij elk atoom: m(C), m(H), k(O), z(N). En slechts één combinatie van gehele getallen m, n, k, z kan de massa opleveren die door de massaspectrometer wordt gemeten.
De methode van massaspectrometrie werd aan het begin van de twintigste eeuw voorgesteld door Thompson.Wetenschappers hebben 's werelds eerste massaspectrometer in elkaar gezet enmet zijn hulp deed hij een grote ontdekking: hij bevestigde experimenteel het bestaan van isotopen. Aan de andere kant was hij niet in staat een correcte interpretatie van zijn resultaten te geven. Zijn leerling William Aston deed dit voor hem: in 1922 ontving hij voor deze ontdekking de Nobelprijs. In de 20e eeuw ontwikkelde massaspectrometrie zich als gevolg van een reeks wereldoorlogen als een methode voor het leger. Aan het begin van zijn ontwikkeling vond het zijn belangrijkste toepassing in de nucleaire industrie. Omdat massaspectrometrie stoffen op massa kan scheiden en isotopen kan bepalen, kan het worden gebruikt om isotopen zoals uranium te scheiden. Er werden nog twee Nobelprijzen toegekend voor massaspectrometrie: in 1989 - Wolfgang Paul en Hans Dehmelt, en vervolgens in 2002 - werd onafhankelijk een echte revolutie uitgevoerd door John Fenn en Kaishi Tanaka. Ze stelden een eigen methode voor die het mogelijk maakt om uit een groot polymeermolecuul een geladen deeltje te verkrijgen: uit eiwitten of uit nucleïnezuren, zonder het te vernietigen. Dit gaf een impuls aan het onderzoek. Nu kan geen enkel laboratorium – biochemisch of moleculair biologisch laboratorium – functioneren zonder zijn eigen massaspectrometer of zonder een goed uitgerust gemeenschappelijk gebruikscentrum in het instituut.
Nadat we de massa van een ion hebben bepaald, kunnen we alleen de elementaire samenstelling bepalen, maar niet de structuur van de moleculen.Omdat één elementaire samenstelling van verschillende structuren kan overeenkomen met een groot aantal. Dat wil zeggen dat de atomen in een molecuul op verschillende manieren kunnen worden gerangschikt. Dit wordt het fenomeen isomerie genoemd.
Massaspectrometristen hebben een methode bedacht waarmee je wat meer informatie kunt krijgen over de structuur van een molecuul: een bepaald obstakel wordt geplaatst in het pad van vliegende versnelde moleculen.Meestal zijn dit gasmoleculen.Wanneer de moleculen met deze gasmoleculen botsen, kunnen ze door de botsing uiteenvallen. En dan meet de massaspectrometer niet de massa van het oorspronkelijke molecuul, maar van de stukken waarin het uiteenviel. En dit verval vindt niet willekeurig plaats, maar langs de zwakste bindingen in het molecuul. De resulterende fragmenten zijn identiek en het zijn moleculaire vingerafdrukken: uniek voor elk molecuul.
Chromatografie is een methode om stoffen te scheiden op basis van hun interactie met sorptiemiddelen.Absorptiemiddelen zijn iets dat kan absorberenandere chemicaliën, en de eenvoudigste is actieve kool, die we gebruiken bij vergiftiging. Aan het begin van de 20e eeuw demonstreerde de Russische wetenschapper Mikhail Tsvet dat als een dergelijke natuurlijke kleurstof door een kolom gevuld met krijt wordt gevoerd, je in plaats van één grote groen besmeurde vlek verschillende veelkleurige vlekken krijgt: van geel tot groente. Zo realiseerde hij zich in de eerste plaats dat de groene kleurstof uit de bladeren een mengsel is van verschillende stoffen. En ten tweede ontdekte hij de chromatografie, waarvoor in 1952 andere wetenschappers die zijn methode naar een moderne vorm brachten, de Nobelprijs kregen. Bij moderne chromatografie wordt een mengsel door een kolom geleid met behulp van een vloeistof of een gas, afhankelijk van het type chromatografie. De vloeistof ‘sleept’ de moleculen naar voren, richting de uitgang van de kolom, en het sorptiemiddel interfereert met elk molecuul op verschillende manieren. Uiteindelijk verlaten ze de colonne op verschillende tijdstippen, die kunnen worden geregistreerd en als nieuwe vingerafdruk ter identificatie kunnen worden gebruikt.
Van cerebrospinale vloeistofonderzoek tot droge bloedmethode
Massaspectrometrie is de enige methode die momenteel beschikbaar is voor het bestuderen van hersenvocht.In sommige moeilijke gevallen voor diagnoseBij ziekten is een lekke band nodig, wordt de wervelkolom doorboord en wordt er een monster hersenvocht afgenomen. Maar het probleem is dat iemand gemiddeld slechts 120 ml hersenvocht heeft. En deze vloeistof staat onder druk, dus het innemen van zelfs 1 ml heeft een aanzienlijke invloed op deze druk en kan tot onomkeerbare gevolgen voor het lichaam leiden. Daarom kan in werkelijkheid slechts een paar microliter worden bemonsterd. Geen van de bestaande methoden, behalve massaspectrometrie, kan zulke kleine hoeveelheden monsters verwerken, want hoe kleiner het monster, hoe minder moleculen het bevat en hoe gevoeliger uw apparatuur moet zijn. Hiervoor is de gevoeligheid van massaspectrometrie doorgaans voldoende. Na verzameling wordt het monster verwijderd van mechanische insluitsels en eiwitten om defecten aan de apparatuur te voorkomen. Na analyse wordt het resultaat verwerkt met behulp van een computer en wordt een "lijst met functies" verkregen: de uitvoer bedraagt ongeveer 10-15 duizend regels. De kolommen produceren een formule die we definiëren met een exacte massa, een intensiteit die evenredig is aan de hoeveelheid van dat molecuul, en een ‘vingerafdruk’.
De meest directe manier om dit toe te passenmetabolomics massaspectrometrie-experiment - het vergelijken van zieke en gezonde mensen om te identificeren welke moleculen verschijnen, verschijnen en hun concentratie veranderen wanneer een dergelijk verschil optreedt.Meestal zijn er twee groepen:gezonde mensen en mensen met een voor ons interessante ziekte, bijvoorbeeld met een specifieke vorm van oncologie. Voor elk monster worden dergelijke platen verkregen, en vervolgens vergelijken en visualiseren wiskundigen ze om de verschillen ertussen te vinden.
De eerste toepassing van massaspectrometrie is bij neonatale screening.Elke pasgeborene, in opdracht van het ministerie van Volksgezondheid metSinds 2006 moeten ze testen op een bepaalde reeks erfelijke ziekten. Nu testen ze in Moskou in ieder geval op minstens 16 verschillende ziekten. Er zijn zulke ziekten, en ze manifesteren zich vaak al vanaf de eerste minuten van het leven, waardoor het kind, als het niet op tijd wordt gestopt, binnen een week of een paar dagen gehandicapt kan raken. Daarom moet een dergelijke diagnose binnen de eerste paar uur van het leven van een pasgeborene worden gesteld. De biomarkers van bijna al deze ziekten zijn metabolieten van kleine moleculen. Dat wil zeggen dat ziekten zich manifesteren in de vorm van verstoringen van de stofwisseling, bijvoorbeeld de ophoping van bepaalde organische zuren in het bloed of bepaalde lipiden. En natuurlijk vindt deze accumulatie plaats in zeer kleine concentraties; daaruit is het noodzakelijk om het verschil in veranderingen in de stofwisseling te herkennen. Daarom zal hier, naast massaspectrometrie, geen andere methode werken.
Om het probleem van het verzamelen van bloed bij kinderen (niet zo'n grote hoeveelheid bloed en de angst van kinderen voor invasieve methoden en artsen) op te lossen, bedachten ze een technologie voor het analyseren van opgedroogde bloedvlekken.Er wordt een klein gaatje gemaakt en één of meertwee druppels bloed rechtstreeks op een klein stukje filtreerpapier. Het bloedvolume is hier enkele microliters. Vervolgens wordt deze kaart gedroogd en naar het laboratorium gestuurd, en het verzenden is ook erg handig: het monster hoeft niet te worden ingevroren of ontdooid. Los deze kaart gewoon opnieuw op voor analyse en binnen een paar uur is de analyse klaar.
Een ander toepassingsgebied voor massaspectrometrie is gepersonaliseerde geneeskunde.Al onze stoffen gaan naar de lever en de leverop de een of andere manier metaboliseert ze ze. Bovendien werken onze levers voor ons allemaal anders, niet alleen vanwege bepaalde ziekten of slechte gewoonten. Grapefruitsap kan bijvoorbeeld uw stofwisseling aanzienlijk beïnvloeden; het remt bepaalde enzymen en als gevolg daarvan kan uw concentratie van sommige geneesmiddelen meerdere malen hoger zijn dan verwacht. Sommige mensen zullen deze concentratie in hun bloed hebben na inname van het medicijn, terwijl anderen tweemaal de concentratie zullen hebben. Het blijkt dat de dosering gehalveerd moet worden om geen onnodige schade aan het lichaam te veroorzaken. Vandaar de transitie naar gepersonaliseerde geneeskunde. Je neemt een pil, je bloed wordt elk uur afgenomen en ze kijken naar de curve: hoe de stof in de loop van de tijd door je lichaam reist, wat de concentratie ervan in het bloed is. Dan kan de arts de dosering aanpassen of zelfs het medicijn voor u stopzetten en een ander medicijn voorschrijven. En in dit geval wordt droogbloedanalyse ook zeer actief gebruikt.
Elk nieuw medicijn dat op de markt komt, doorloopt noodzakelijkerwijs een metabolische onderzoeksfase.Sommige medicijnen zijn misschien niet erg giftig,maar als gevolg van een defect in de lever en enkele fouten kunnen deze stoffen in nog giftiger stoffen veranderen. Het eenvoudigste voorbeeld is paracetamol. De instructies voor paracetamol zeggen dat het niet aan jonge kinderen mag worden gegeven. Dat jonge kinderen alleen ibuprofen mogen krijgen. En de reden hiervoor is de ophoping van dit molecuul in de lever, wat als gevolg van de stofwisseling een toxisch effect heeft. Voor een volwassene met een goed ontwikkelde lever is dit toxische effect niet erg merkbaar, hoewel je paracetamol natuurlijk ook niet in potten mag slikken. Voor jonge kinderen kan dit namelijk tot allerlei onaangename en zelfs onomkeerbare gevolgen leiden. Daarom moet elk nieuw medicijn op metabolisme worden bestudeerd.
Beeldvorming is een manier van dirigerenmassaspectrometrische analyse, wanneer we niet alleen informatie verkrijgen over een homogeen, maar ook over een heterogeen monster, en we de moleculaire samenstelling ervan in de ruimte kunnen bestuderen.Er is zo'n interessant voorbeeld om te studerendistributie van het medicijn en zijn metabolieten in het lichaam van de rat. Het experiment wordt als volgt uitgevoerd: een rat krijgt een bepaald medicijn, na enkele uren wordt het dier geëuthanaseerd en vervolgens wordt het dier over het hele lichaam fijngesneden. En dan kun je met een speciale techniek van massaspectrometrie de moleculaire samenstelling van elk punt in dit monster bestuderen. Na computerverwerking is het mogelijk om te visualiseren waar welke metabolieten zich hebben opgehoopt. Het is belangrijk om de verdeling van metabolieten te bestuderen, want als je een medicijn tegen longontsteking gebruikt, is het belangrijk dat het in de longen terechtkomt en niet in de hersenen. Een massaspectrometrische scalpel is een "mes" dat moleculen uit de incisieplaats pompt en vervolgens, met behulp van computertechnologie, kan bepalen welke chirurg het weefsel snijdt: ziek of gezond. Deze methode wordt nu geïmplementeerd in de Verenigde Staten en de eerste echte operatie met een dergelijk mes is al uitgevoerd.
Vingerafdrukken voor elk molecuul
Het probleem is dat honderden of zelfs duizenden chemische verbindingen kunnen overeenkomen met één elementaire samenstelling.Daarom is het noodzakelijk om alle rijen te identificerentabellen, en dit is de hoofdtaak van de moderne metabolomische analyse; helaas is deze nog niet volledig opgelost. De moleculaire vingerafdrukken worden vergeleken met die gevonden in databases van chemische moleculen. Als ze overeenkomen, kunnen we met enig vertrouwen zeggen dat dit het juiste molecuul is. Maar dergelijke databanken bevatten een zeer beperkt aantal stoffen. De volledige vingerafdrukdatabase bevat ongeveer 20-30 duizend verbindingen; deze omvat niet eens alle primaire en secundaire metabolieten die in het menselijk lichaam aanwezig zijn. Er is nog een probleem: om deze database aan te vullen heb je een puur chemische stof nodig, en die zijn meestal duur. Dat wil zeggen dat één zuivere chemische stof gewoonlijk enkele tientallen of honderden dollars kost.
Eén benadering van identificatie is het maken van nieuwe vingerafdrukken.Zo wordt de methode nu actief ontwikkeldionenmobiliteitsspectrometrie. Terwijl massaspectrometrie ionen op massa verdeelt, maakt ionenmobiliteit het mogelijk ze op grootte te scheiden. Dat wil zeggen, als je twee lopers hebt - niet een zware en een lichte, maar een grote en een kleine, en onderweg een obstakel oplegt - bijvoorbeeld een net met cellen, dan zal een slanke atleet dat doen kruip snel door dit net en bereik de finish, maar een dikke zal dat doen. Totdat hij uit dit netwerk komt, zal hij na een tijdje komen rennen.
De tweede methode is om te proberen vingerafdrukken te vinden waarvoor geen duidelijke normen nodig zijn om ze te identificeren.In het laboratorium stellen we voor om gebruik te maken van de zogenaamde isotopenuitwisseling.
Als we bijvoorbeeld naar zo'n molecuul kijken, danwe zullen zien dat het waterstofatomen heeft die zijn geassocieerd met zuurstof. Ze zijn dus speciaal. Ze kunnen dit molecuul verlaten en ernaar terugkeren. Als we dit molecuul hebben opgelost in water, kan waterstof het molecuul verlaten en kan waterstof terugkeren uit water. En als we niet alleen water nemen, maar zwaar water, waar in plaats van waterstof deuterium is, dan kan waterstof het molecuul verlaten en kan deuterium zijn plaats innemen. Het is bekend dat deuterium verschilt van waterstof in molecuulgewicht per eenheid, en een massaspectrometer kan zo'n verschuiving zien. Door simpelweg het aantal van dergelijke waterstofatomen te tellen, kan men zeggen of dit een noodzakelijk of onnodig molecuul is, of we het nu correct hebben geïdentificeerd of niet.
Kunstmatige intelligentie kan worden gebruikt om moleculen te identificeren.Op basis van de beschikbare informatie kunt u het invullendatabases met ontbrekende informatie met behulp van deep learning-methoden. Dat wil zeggen, we trainen het model en het voorspelt de benodigde vingerafdrukken op basis van de structuur van het molecuul, die we vervolgens kunnen gebruiken om te vergelijken met wat er in het experiment is verkregen.
Zie ook:
Uranus heeft de status van de vreemdste planeet in het zonnestelsel gekregen. Waarom?
Mensen zijn bestand tegen zeer lage temperaturen, zelfs zonder warmtebronnen
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?