ห้องปฏิบัติการแมสสเปกโตรเมตรีของ Skoltech นำโดยสมาชิกที่เกี่ยวข้องของ Russian Academy of Sciences
หัวใจของการสร้างกระบวนการชีวิตคืออะไร
DNA เป็นสายโซ่พอลิเมอร์แบบยาวที่เก็บข้อมูลว่าร่างกายควรมีลักษณะและหน้าที่อย่างไรนั่นก็คือเราแตกต่างจากสายพันธุ์อื่นอย่างไรและบุคคลสองคนที่เป็นสายพันธุ์เดียวกันแตกต่างกันอย่างไร โมเลกุลเหล่านี้กำหนดเอกลักษณ์ของเรา ฉันขอยกตัวอย่างให้คุณฟัง: หนอนผีเสื้อและผีเสื้อที่มันเติบโต คุณคิดว่าโมเลกุล DNA ของพวกมันแตกต่างหรือเหมือนกันหรือไม่? ที่จริงแล้วคำตอบที่ถูกต้องคือ: เหมือนกัน ข้อมูลทางพันธุกรรมไม่มีการเปลี่ยนแปลงในทางใดทางหนึ่งตลอดชีวิต จริงๆ แล้วทำไมตอนจบผีเสื้อกับผีเสื้อถึงต่างกันล่ะ? เพราะไม่ใช่ข้อมูลทั้งหมดที่เก็บไว้ใน DNA จะถูกรับรู้ในเวลาเดียวกัน การใช้งานเกิดขึ้นผ่านกระบวนการถอดรหัสซึ่งเป็นผลมาจากการอ่านยีนแต่ละตัว Messenger RNA จึงสามารถสังเคราะห์โปรตีนได้
โปรตีนเป็นเครื่องจักรโมเลกุลสากลในร่างกายของเราที่ทำหน้าที่ต่างกันตั้งแต่การก่อสร้างไปจนถึงการควบคุมคำจำกัดความที่ล้าสมัยประการหนึ่งของชีวิตคือการดำรงอยู่และปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลโปรตีนตามลำดับ แต่ปัญหาก็คือโมเลกุลโปรตีนก็มีขนาดใหญ่เช่นกัน โปรตีนยังเป็นโมเลกุลโพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง โดยปกติจะมีน้ำหนักตั้งแต่ 10 ถึงหลายร้อยกิโลดาลตัน และการสร้างกระบวนการชีวิตขั้นพื้นฐานนั้นค่อนข้างมีปัญหาเนื่องจากค่อนข้างไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและสภาพแวดล้อมภายนอก และนี่อาจเป็นเหตุผลว่าทำไมกระบวนการสำคัญเกือบทั้งหมดในเซลล์จึงเกิดขึ้นผ่านโมเลกุลขนาดเล็ก และการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลขนาดเล็กเข้าด้วยกันนั้นถูกควบคุมโดยโปรตีนอยู่แล้ว น้ำหนักโมเลกุลของโมเลกุลขนาดเล็กเหล่านี้มีค่าตั้งแต่หลายสิบถึงหลายร้อยกิโลดาลตัน โมเลกุลขนาดเล็กทั้งหมดที่พบในสิ่งมีชีวิตเรียกว่าสารเมตาบอไลท์
1 ดาลตันหรือ 1 หน่วยมวลอะตอม (amu)- หน่วยมวลของระบบพิเศษที่ใช้สำหรับมวลของโมเลกุล อะตอม นิวเคลียสของอะตอม และอนุภาคมูลฐาน
1 ก. หน่วย = 1.660 539 066 60 (50) ⋅10−27 กก.
เมตาบอไลต์หลักเป็นสารเคมีที่พบในเซลล์ทั้งหมดของร่างกายและจำเป็นสำหรับการบำรุงรักษากระบวนการที่สำคัญโมเลกุลโพลีเมอร์ทั้งหมด โปรตีน และกรดนิวคลีอิก. สารเหล่านี้จะเหมือนกันในทุกเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเดียว ในช่วงชีวิต สารจะถูกแปลงเป็นสารอื่นเพื่อวัตถุประสงค์ในการถ่ายโอนพลังงาน และเส้นทางการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ - สายโซ่การเปลี่ยนแปลง - เรียกว่าวิถีทางเมแทบอลิซึม
วัฏจักร Krebs หรือวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิกมีหน้าที่รับผิดชอบต่อกระบวนการหายใจของเซลล์
เส้นทางการเผาผลาญที่แตกต่างกันในร่างกายมนุษย์ตัดกันนั่นคือพวกเขามีผู้เข้าร่วมทั่วไปดังนั้นกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นกับสารจึงเชื่อมโยงถึงกัน
สารทุติยภูมิเป็นสารที่ไม่จำเป็นสำหรับเซลล์ทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานที่สำคัญมักใช้เพื่อปรับให้เข้ากับสภาวะต่างๆสภาพแวดล้อมภายนอก ตัวอย่างเช่น ต้นกาแฟผลิตคาเฟอีนเพื่อปกป้องใบจากศัตรูพืช เป็นพิษต่อแมลงปีกแข็งที่กินใบต้นกาแฟ แต่ถ้าเรากำจัดคาเฟอีนออกจากพืชจนหมด มันก็จะมีชีวิตอยู่ต่อไปได้ ไม่มีกระบวนการสำคัญใดที่จะหยุดชะงัก ตัวอย่างที่สองคือยาปฏิชีวนะ คุณรู้ไหมว่าเพนิซิลินเป็นยาปฏิชีวนะชนิดแรก และมันถูกแยกออกจากเชื้อราโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งเป็นการปฏิวัติการแพทย์ แม่พิมพ์ใช้เพนิซิลินเพื่อเคลียร์พื้นที่อยู่อาศัย ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตต้นกำเนิด แต่เป็นพิษต่อจุลินทรีย์อื่นๆ จริงๆ แล้วผู้คนใช้คุณสมบัตินี้ในการรักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรียต่างๆ เนื่องจากมนุษย์บริโภคพืชเป็นอาหารอย่างแข็งขัน ร่างกายของเราจึงเต็มไปด้วยจุลินทรีย์หลายชนิดที่ก่อตัวเป็นจุลินทรีย์ สารเหล่านี้เป็นสารทุติยภูมิไม่เพียงแต่จากตัวบุคคลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสิ่งมีชีวิตที่เข้าสู่ร่างกายของเราอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้อีกด้วย
ตัวกรองธรรมชาติทำไมถึงผิด
Xenometabolites เป็นยาปฏิชีวนะสารประกอบที่ไม่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตมักจะเป็นสิ่งที่บุคคลได้รับเทียมเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ยา วัตถุเจือปนอาหาร ผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร ยาต้องห้าม ผลิตภัณฑ์ยาสูบ ผลิตภัณฑ์แอลกอฮอล์หรือสุขอนามัย สารเคมีในครัวเรือน สารพิษต่อสิ่งแวดล้อม สิ่งเหล่านี้ก็เป็นโมเลกุลขนาดเล็กเช่นกัน และเข้าสู่ร่างกายทั้งโดยตั้งใจ ในกรณีของยา และโดยบังเอิญ ตัวอย่างเช่น คุณแปรงฟัน กลืนยาสีฟัน และนี่คือสาเหตุที่สารเคมีใหม่ๆ เข้าสู่ระบบของคุณ และสารเหล่านี้หลายชนิดสามารถส่งผลบางอย่างต่อร่างกายของเราได้ แม้จะมีความเข้มข้นเพียงเล็กน้อยก็ตาม นอกจากนี้ผลกระทบนี้อาจเป็นบวกหรือลบหรือแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปริมาณของสารนี้
ตับเป็นอุปสรรคแรกในการเข้ามาของสารเคมีแปลกปลอมในการไหลเวียนของระบบมันพยายามกรองโมเลกุลนั้นออกไปร่างกายจะถูกทำร้ายและกำจัดออกไป ป้องกันไม่ให้ถูกปล่อยออกทางกระแสเลือดเข้าสู่อวัยวะต่างๆ อีก ตับมีกลไกการกรองมากมาย แต่ไม่มีกลไกใดทำงานได้ 100% ไม่เช่นนั้นก็จะไม่มีพิษและผลร้ายแรงจากการได้รับสารพิษหรือยา อย่างไรก็ตาม ตับใช้ประโยชน์จากความจริงที่ว่าร่างกายของเรามีน้ำเป็นส่วนใหญ่ กล่าวคือ ประกอบด้วยน้ำถึง 80 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นตับจึงพยายามจัดเรียงโมเลกุลให้เป็นแบบที่ชอบน้ำซึ่งละลายในน้ำและแบบที่ไม่ชอบน้ำ ตับ “เชื่อ” ว่าหากสารนั้นเป็นสารที่ชอบน้ำก็จะถูกปล่อยออกสู่การไหลเวียนของระบบต่อไปเนื่องจากไม่ควรก่อให้เกิดอันตรายมากนัก และถ้าสารเป็นแบบไม่ชอบน้ำ ก็จำเป็นต้องทำอะไรบางอย่างกับสารนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ถูกปล่อยออกมาอีกหรืออย่างน้อยที่สุดก็เพื่อทำให้เป็นสารที่ชอบน้ำมากขึ้น
ตับมีสองกลไก - ระยะการเผาผลาญในระยะแรกตับจะพยายามโปรตีนและเอนไซม์พิเศษของตระกูลไซโตโครม P450 ออกซิไดซ์สารเหล่านี้ ผลของการเกิดออกซิเดชันทำให้โครงสร้างของโมเลกุลเปลี่ยนไปและอาจกลายเป็นน้ำได้มากขึ้น ตับสามารถปล่อยสารเหล่านี้ออกสู่กระแสเลือดหรือพยายามขับออกทางไตทางปัสสาวะหรือลำไส้ หากวิธีนี้ใช้ไม่ได้ผล ตับก็สามารถ "เย็บ" โมเลกุลสำเร็จรูปที่ละลายน้ำได้และได้รับการรับรองลงบนโมเลกุลที่ถูกออกซิไดซ์เหล่านี้
เมแทบอลิซึมของตับช่วยเพิ่มความหลากหลายของโมเลกุลขนาดเล็กที่อาจไปอยู่ในร่างกายของเราตัวอย่างเช่นในขั้นตอนการเกิดออกซิเดชันโมเลกุลอื่น ๆ มากกว่า 500 โมเลกุลเกิดขึ้นตามหลักวิชาจากโมเลกุลเดียวจึงไม่สามารถคาดเดาได้ว่าโมเลกุลใดก่อตัวขึ้นและไม่ได้เกิดขึ้น
อักษรที่ไม่มีที่สิ้นสุด: ทำไมการศึกษาสารเมตาบอไลต์จึงเป็นเรื่องยาก
กรดนิวคลีอิกสามารถแสดงเป็นตัวอักษรห้าตัวซึ่งสร้างสตริงข้อความขนาดใหญ่ใช่แล้ว ลำดับของตัวอักษรในเรื่องนี้เส้นอาจค่อนข้างวุ่นวายแม้ว่าในช่วงชีวิต DNA จะไม่เปลี่ยนแปลง แต่จะถูกคัดลอกเพียงอย่างเดียว ดังนั้นเราจึงมีข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับสตริงนี้ ในกรณีของโปรตีนสถานการณ์ค่อนข้างซับซ้อนกว่า: จะมีตัวอักษรอยู่แล้ว 20 ตัวนั่นคือกรดอะมิโน 20 ตัวที่ใช้สร้างโปรตีน แต่สิ่งนี้ก็เกิดขึ้นโดยไม่สมัครใจเช่นกัน ดังนั้นจากมุมมองของผู้วิจัย วัตถุเหล่านี้จึงค่อนข้างคล้ายกันเช่นกัน และในกรณีของสารเมตาบอไลต์การแยกตัวอักษรใด ๆ ออกมาเป็นปัญหาอย่างยิ่ง: อันที่จริงนี่คือตารางธาตุทั้งหมด และในบรรดากฎของการก่อตัว - มีเพียงกฎแห่งความสามารถเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทางเคมีของคาร์บอนที่ช่วยให้อะตอมของคาร์บอนสองอะตอมเกิดพันธะซึ่งกันและกัน จากนั้นจึงเพิ่มอะตอมของคาร์บอนหรืออะตอมอื่นๆ จากตารางธาตุได้ไม่จำกัดจำนวน ซึ่งทำให้เกิดความหลากหลายทางเคมีอย่างมากของโมเลกุลดังกล่าว
ในการศึกษาโมเลกุลขนาดเล็กและความหลากหลายดังกล่าวจำเป็นต้องใช้วิธีพิเศษมีสิ่งง่ายๆ:เช่น การวิเคราะห์ทางประสาทสัมผัสซึ่งทุกคนที่ไปตรวจเลือดหรือปัสสาวะทั่วไปแล้วพบว่ามีเส้น “กลิ่น สี” ไปในทิศทางที่พบเจอ เมื่อจำเป็นต้องค้นหาโมเลกุลเฉพาะในสารละลาย ให้เติมรีเอเจนต์ที่เลือกไว้ล่วงหน้าหนึ่งหยด หากมีโมเลกุลอยู่ในสารละลายก็จะมีสีเกิดขึ้นหากไม่มีก็จะปรากฏเพียงตะกอนเท่านั้น ในบรรดาวิธีการง่ายๆ ยังมีการใช้สเปกโทรสโกปีแบบออพติคัลด้วย เมื่อคุณสามารถใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อสรุปผลจากโครงสร้างของตะกอนได้ วิธีทางอิมมูโนเคมีที่ได้รับความนิยมค่อนข้างมากในขณะนี้ คือการทดสอบ ELISA แบบเดียวกับสำหรับ COVID-19
การศึกษา Omics คือการศึกษาที่ศึกษาประชากรทั้งหมดและการเผาผลาญหมายถึงการวิเคราะห์ขนาดใหญ่ข้อมูลที่แสดงถึงชุดโมเลกุลขนาดเล็กที่สมบูรณ์ในสิ่งมีชีวิตเซลล์หรืออวัยวะ ชุดข้อมูลเหล่านี้แตกต่างกันไปตามการประมาณการต่างๆจากหลายพันหากเราพิจารณาเฉพาะเมตาบอไลต์หลักไปจนถึงหลายหมื่นหากเราเพิ่มสารทุติยภูมิของพืชแบคทีเรียและเชื้อราที่รู้จักเข้าไป ในความเป็นจริงมากถึงหลายร้อยล้านหากเราคำนึงถึงความหลากหลายทางเคมีทั้งหมดที่สามารถเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ได้ และเพื่อศึกษาพวกเขาจำเป็นต้องใช้วิธีพิเศษ: สเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) และสเปกโตรเมตรี
ในประวัติศาสตร์กว่า 80 ปีของ NMR นักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับวิธีนี้ได้รับรางวัลโนเบลห้ารางวัลสี่ - สำหรับ NMR และอันที่ห้า - สำหรับการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก วิธีการแตกต่างจาก NMR สเปกโทรสโกปีเล็กน้อย แต่มีหลักการคล้ายกันมาก วิธี NMR ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าอะตอมบางอะตอมในตารางธาตุมีโมเมนต์แม่เหล็กที่ไม่เป็นศูนย์ เป็นแม่เหล็กขนาดเล็กและสามารถโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กภายนอกได้ ปฏิสัมพันธ์นี้แสดงออกในการแบ่งระดับพลังงาน วิธี NMR ช่วยให้สามารถแยกแยะระหว่างอะตอมและอะตอมของธาตุเดียวกันได้ แต่ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เมื่อเร็ว ๆ นี้ NMR สูญเสียความนิยมเนื่องจากมีต้นทุนสูงเป็นหลัก
วิธีสร้างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากส่วนผสมที่ซับซ้อนและค้นหาองค์ประกอบของมัน
แมสสเปกโตรเมตรีเป็นวิธีการแยกอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าออกจากกันโดยทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหากเราเอาส่วนผสมที่ซับซ้อนบางอย่างประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุต่างกันและโมเลกุลเกือบทุกชนิดที่มีวิธีแมสสเปกโตรเมทรีสมัยใหม่สามารถแปลงเป็นรูปแบบที่มีประจุได้โดยการเพิ่มโปรตอนลงไปหรือกำจัดโปรตอนออกจากมันและใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากับส่วนผสมนี้จากนั้นอนุภาคในสนามนี้จะเริ่มขึ้น เพื่อเคลื่อนที่และจะมีความเร็วหรือวิถีโคจรขึ้นอยู่กับมวล อนุภาคแสงจะมาถึงเครื่องตรวจจับเร็วกว่าอนุภาคหนัก หลังจากประมวลผลข้อมูลจากเครื่องตรวจจับแล้วจะได้รับสเปกตรัมมวลซึ่งตามแกน Y จะมีความเข้มของสัญญาณซึ่งเป็นสัดส่วนกับจำนวนไอออนและตามแกน X - มวลในไอออนหรือมากกว่า อัตราส่วนของมวลต่อประจุ นอกจากนี้ แมสสเปกโตรเมตรียังช่วยให้คุณวัดมวลได้อย่างแม่นยำสูงมาก ซึ่งหมายความว่ามีความเป็นไปได้ที่จะสร้างองค์ประกอบองค์ประกอบของไอออน อนุภาคที่มีประจุ หรือโมเลกุลที่ก่อตัวขึ้นได้อย่างชัดเจน ในทางคณิตศาสตร์ สิ่งนี้เรียกว่าการแก้สมการไดโอแฟนไทน์เป็นจำนวนเต็ม จริงๆ แล้ว นี่คือการเลือกสัมประสิทธิ์ใกล้แต่ละอะตอม: m(C), m(H), k(O), z(N) และการรวมกันของจำนวนเต็ม m, n, k, z เท่านั้นที่สามารถให้มวลที่วัดด้วยแมสสเปกโตรมิเตอร์
วิธีการของแมสสเปกโตรเมตรีถูกเสนอเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 โดยทอมป์สันนักวิทยาศาสตร์ได้ประกอบแมสสเปกโตรมิเตอร์เครื่องแรกของโลกและด้วยความช่วยเหลือของเขาเขาได้ค้นพบสิ่งที่ยิ่งใหญ่: เขาทดลองยืนยันการมีอยู่ของไอโซโทป ในทางกลับกัน เขาไม่สามารถตีความผลลัพธ์ของเขาได้อย่างถูกต้อง นักเรียนของเขา William Aston ทำสิ่งนี้ให้เขา: ในปี 1922 เขาได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบนี้ ในศตวรรษที่ 20 เนื่องจากสงครามโลกหลายครั้ง แมสสเปกโตรเมทรีจึงได้รับการพัฒนาเป็นวิธีทางการทหาร ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา พบว่ามีการใช้งานหลักในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ เนื่องจากแมสสเปกโตรเมตรีสามารถแยกสารตามมวลและกำหนดไอโซโทปได้ จึงสามารถใช้เพื่อแยกไอโซโทป เช่น ยูเรเนียม ได้ รางวัลโนเบลอีกสองรางวัลได้รับรางวัลสำหรับแมสสเปกโตรมิเตอร์: ในปี 1989 - Wolfgang Paul และ Hans Demelt และในปี 2002 - การปฏิวัติที่แท้จริงได้ดำเนินการโดยอิสระโดย John Fenn และ Kaishi Tanaka พวกเขาเสนอวิธีการของตนเองที่ทำให้สามารถรับอนุภาคที่มีประจุจากโมเลกุลโพลีเมอร์ขนาดใหญ่: จากโปรตีนหรือจากกรดนิวคลีอิกโดยไม่ทำลายมัน สิ่งนี้ทำให้เกิดแรงผลักดันในการศึกษา ขณะนี้ไม่ใช่ห้องปฏิบัติการแห่งเดียว ไม่ว่าจะเป็นห้องปฏิบัติการทางชีวเคมีหรืออณูชีววิทยา สามารถดำเนินการได้โดยไม่ต้องใช้แมสสเปกโตรมิเตอร์เป็นของตัวเอง หรือไม่มีศูนย์การใช้งานร่วมกันที่มีอุปกรณ์ครบครันที่สถาบัน
เมื่อพิจารณามวลของไอออนแล้ว เราสามารถกำหนดองค์ประกอบองค์ประกอบได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถกำหนดโครงสร้างของโมเลกุลได้เพราะองค์ประกอบหนึ่งของโครงสร้างที่แตกต่างกันสามารถสอดคล้องกับจำนวนมหาศาลได้ กล่าวคืออะตอมในโมเลกุลสามารถจัดเรียงได้หลายวิธี สิ่งนี้เรียกว่าปรากฏการณ์ไอโซเมอริซึม
นักสเปกโตรมิเตอร์ได้คิดค้นวิธีการที่ช่วยให้คุณได้รับข้อมูลเพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุล: สิ่งกีดขวางบางอย่างถูกวางไว้ในเส้นทางของโมเลกุลที่เร่งการบินโดยปกติแล้วสิ่งเหล่านี้คือโมเลกุลของก๊าซเมื่อโมเลกุลชนกับโมเลกุลของก๊าซเหล่านี้ พวกมันก็จะแตกออกจากการชนกัน จากนั้นแมสสเปกโตรมิเตอร์จะวัดมวลไม่ใช่ของโมเลกุลดั้งเดิม แต่วัดมวลของชิ้นส่วนที่มันแตกออก และการสลายตัวนี้ไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม แต่เกิดขึ้นตามพันธะที่อ่อนแอที่สุดในโมเลกุล ชิ้นส่วนที่ได้จะเหมือนกัน และเป็นลายนิ้วมือของโมเลกุล ซึ่งมีลักษณะเฉพาะสำหรับแต่ละโมเลกุล
โครมาโตกราฟีเป็นวิธีการแยกสารโดยอาศัยปฏิกิริยากับตัวดูดซับตัวดูดซับเป็นสิ่งที่สามารถดูดซับได้สารเคมีอื่นๆ และที่ง่ายที่สุดคือถ่านกัมมันต์ ซึ่งเราใช้เมื่อเป็นพิษ ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Mikhail Tsvet แสดงให้เห็นว่าหากสีย้อมธรรมชาติถูกส่งผ่านคอลัมน์ที่เต็มไปด้วยชอล์ก แทนที่จะเป็นจุดเปื้อนสีเขียวขนาดใหญ่จุดเดียว คุณจะได้จุดหลากสีหลายจุด: จากสีเหลืองไปจนถึง สีเขียว. ประการแรกเขาจึงตระหนักว่าสีย้อมสีเขียวจากใบนั้นเป็นส่วนผสมของสารต่างๆ และประการที่สอง เขาได้ค้นพบโครมาโทกราฟี ซึ่งในปี 1952 นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่นำวิธีการของเขามาสู่รูปแบบสมัยใหม่ได้รับรางวัลโนเบล ในโครมาโตกราฟีสมัยใหม่ ของผสมจะถูกส่งผ่านคอลัมน์โดยใช้ของเหลวหรือก๊าซ ขึ้นอยู่กับประเภทของโครมาโทกราฟี ของเหลวจะ "ลาก" โมเลกุลไปข้างหน้า ไปยังทางออกของคอลัมน์ และตัวดูดซับจะเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับแต่ละโมเลกุลในลักษณะที่แตกต่างกัน พวกเขาออกจากคอลัมน์ในเวลาที่ต่างกัน ซึ่งสามารถบันทึกและใช้เป็นลายนิ้วมืออื่นเพื่อระบุตัวตนได้
จากการตรวจน้ำไขสันหลังไปจนถึงวิธีเลือดแห้ง
แมสสเปกโตรเมตรีเป็นวิธีเดียวที่มีอยู่ในปัจจุบันสำหรับการศึกษาน้ำไขสันหลังในบางกรณีวินิจฉัยได้ยากโรคต่างๆ จำเป็นต้องเจาะ เจาะกระดูกสันหลัง และเก็บตัวอย่างน้ำไขสันหลัง แต่ปัญหาคือโดยเฉลี่ยแล้วคนเราจะมีน้ำไขสันหลังเพียง 120 มิลลิลิตรเท่านั้น และของเหลวนี้อยู่ภายใต้ความกดดัน ดังนั้นการรับประทานแม้แต่ 1 มิลลิลิตรก็ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อแรงกดดันนี้และอาจนำไปสู่ผลที่ตามมาต่อร่างกายอย่างถาวร ดังนั้นในความเป็นจริง สามารถสุ่มตัวอย่างได้เพียงไม่กี่ไมโครลิตรเท่านั้น ไม่มีวิธีการใดที่มีอยู่ยกเว้นแมสสเปกโตรเมทรีที่สามารถจัดการกับตัวอย่างในปริมาณเล็กน้อยดังกล่าวได้ เนื่องจากยิ่งตัวอย่างมีขนาดเล็กลง โมเลกุลก็จะยิ่งน้อยลง และอุปกรณ์ของคุณจะต้องมีความไวมากขึ้นเท่านั้น ความไวของแมสสเปกโตรเมทรีมักจะเพียงพอสำหรับสิ่งนี้ หลังการรวบรวม ตัวอย่างจะถูกนำออกจากการรวมเชิงกลและโปรตีนเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อุปกรณ์เสียหาย หลังจากการวิเคราะห์ ผลลัพธ์จะถูกประมวลผลโดยใช้คอมพิวเตอร์และได้รับ "รายการคุณสมบัติ": เอาต์พุตมีประมาณ 10-15,000 บรรทัด คอลัมน์เหล่านี้สร้างสูตรที่เรากำหนดด้วยมวลที่แน่นอน ความเข้มที่เป็นสัดส่วนกับปริมาณของโมเลกุลนั้น และ "ลายนิ้วมือ"
วิธีการสมัครที่ตรงที่สุดการทดลองเมตาโบโลมิกส์แมสสเปกโตรเมตรี - เปรียบเทียบผู้ป่วยและคนที่มีสุขภาพดีเพื่อระบุว่าโมเลกุลใดปรากฏขึ้น ปรากฏขึ้น และเปลี่ยนความเข้มข้นเมื่อเกิดความแตกต่างดังกล่าวโดยปกติจะมีสองกลุ่ม:คนที่มีสุขภาพดีและผู้ที่มีโรคที่เราสนใจ เช่น มีเนื้องอกวิทยารูปแบบเฉพาะ สำหรับแต่ละตัวอย่างจะได้รับแผ่นดังกล่าว จากนั้นนักคณิตศาสตร์จะเปรียบเทียบและเห็นภาพเพื่อค้นหาความแตกต่างระหว่างแผ่นเหล่านั้น
การประยุกต์ใช้แมสสเปกโตรเมทรีครั้งแรกในการตรวจคัดกรองทารกแรกเกิดทารกแรกเกิดแต่ละคนตามคำสั่งของกระทรวงสาธารณสุขด้วยในปี พ.ศ. 2549 กำหนดให้มีการทดสอบโรคทางพันธุกรรมบางกลุ่ม ไม่ว่าในกรณีใด พวกเขาทดสอบโรคต่างๆ อย่างน้อย 16 โรคในมอสโก มีโรคดังกล่าวและมักปรากฏให้เห็นตั้งแต่นาทีแรกของชีวิตซึ่งหากไม่หยุดทันเวลาในหนึ่งสัปดาห์หรือสองสามวันอาจทำให้เด็กพิการตลอดชีวิตได้ ดังนั้นการวินิจฉัยดังกล่าวจะต้องดำเนินการภายในสองสามชั่วโมงแรกของชีวิตทารกแรกเกิด ตัวชี้วัดทางชีวภาพของโรคเหล่านี้เกือบทั้งหมดเป็นสารเมตาบอไลท์โมเลกุลขนาดเล็ก นั่นคือโรคแสดงออกในรูปแบบของการหยุดชะงักในการเผาผลาญเช่นการสะสมของกรดอินทรีย์บางชนิดในเลือดหรือไขมันบางชนิด และโดยธรรมชาติแล้วการสะสมนี้เกิดขึ้นในความเข้มข้นที่น้อยมากจากนั้นจึงจำเป็นต้องรับรู้ถึงความแตกต่างของการเปลี่ยนแปลงของเมแทบอลิซึม ดังนั้น นอกจากแมสสเปกโตรเมทรีแล้ว ไม่มีวิธีอื่นใดที่จะได้ผลที่นี่
เพื่อแก้ปัญหาการเก็บเลือดจากเด็ก (มีเลือดไม่มากนักและเด็กกลัววิธีการรุกรานและแพทย์) พวกเขาจึงได้คิดค้นเทคโนโลยีในการวิเคราะห์จุดเลือดแห้งมีการเจาะเล็ก ๆ และอย่างน้อยหนึ่งรายการหยดเลือดสองหยดลงบนกระดาษกรองชิ้นเล็กๆ โดยตรง ปริมาตรของเลือดที่นี่มีหลายไมโครลิตร จากนั้นการ์ดใบนี้จะถูกทำให้แห้งและส่งไปที่ห้องปฏิบัติการ และการส่งก็สะดวกมากเช่นกัน โดยไม่จำเป็นต้องแช่แข็งหรือละลายตัวอย่าง เพียงละลายการ์ดนี้อีกครั้งเพื่อการวิเคราะห์ และการวิเคราะห์ก็พร้อมภายในไม่กี่ชั่วโมง
อีกด้านของการประยุกต์ใช้แมสสเปกโตรเมตรีคือยาเฉพาะบุคคลสารทั้งหมดของเราไปที่ตับและตับเผาผลาญพวกมันไปในทางใดทางหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้น ตับของเราทำงานแตกต่างกันสำหรับเราทุกคน ไม่ใช่แค่เพราะโรคบางชนิดหรือนิสัยที่ไม่ดีเท่านั้น ตัวอย่างเช่น น้ำเกรพฟรุตอาจส่งผลต่อการเผาผลาญของคุณอย่างมาก โดยจะไปยับยั้งเอนไซม์บางชนิด และส่งผลให้ความเข้มข้นของยาบางชนิดอาจสูงกว่าที่คาดไว้หลายเท่า บางคนจะมีความเข้มข้นนี้ในเลือดหลังจากรับประทานยา ในขณะที่บางคนจะมีความเข้มข้นเป็นสองเท่า ปรากฎว่าต้องลดขนาดยาลงครึ่งหนึ่งเพื่อไม่ให้เกิดอันตรายต่อร่างกายโดยไม่จำเป็น จึงเปลี่ยนมาใช้ยาเฉพาะบุคคล คุณกินยา เลือดของคุณจะถูกดูดทุกชั่วโมง และพวกมันจะดูเส้นโค้ง: สารเดินทางผ่านร่างกายของคุณอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป มีความเข้มข้นของสารในเลือดมากน้อยเพียงใด จากนั้นแพทย์จะสามารถปรับขนาดยาหรือหยุดยาให้คุณได้และสั่งยาอีกครั้ง และในกรณีนี้ก็มีการใช้การวิเคราะห์เลือดแห้งอย่างแข็งขันเช่นกัน
ยาใหม่ๆ ที่เข้าสู่ตลาดจำเป็นต้องผ่านขั้นตอนการวิจัยด้านเมตาบอลิซึมยาบางชนิดอาจไม่เป็นพิษมากนักแต่เนื่องจากการสลายของตับและข้อผิดพลาดบางประการ สารเหล่านี้อาจกลายเป็นสารพิษมากยิ่งขึ้นได้ ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือพาราเซตามอล คำแนะนำการใช้ยาพาราเซตามอลบอกว่าไม่ควรให้ยาพาราเซตามอลแก่เด็กเล็ก เด็กเล็กนั้นควรได้รับไอบูโพรเฟนเท่านั้น และเหตุผลก็คือการสะสมของโมเลกุลนี้ในตับซึ่งเป็นผลมาจากการเผาผลาญมีผลเป็นพิษ สำหรับผู้ใหญ่ที่มีตับที่พัฒนาอย่างดีผลที่เป็นพิษนี้ไม่สามารถสังเกตได้ชัดเจนนัก แต่แน่นอนว่าคุณไม่ควรกลืนยาพาราเซตามอลในขวดด้วย สำหรับเด็กเล็ก ที่จริงแล้วสิ่งนี้สามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่พึงประสงค์ทุกประเภทและแม้กระทั่งสิ่งที่แก้ไขไม่ได้ ดังนั้นจึงต้องศึกษายาใหม่ทุกตัวเพื่อการเผาผลาญ
การสร้างภาพเป็นวิธีการดำเนินการการวิเคราะห์แมสสเปกโตรเมทริก เมื่อเราได้รับข้อมูลไม่เพียงแต่เกี่ยวกับตัวอย่างที่เป็นเนื้อเดียวกันเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวกับตัวอย่างที่ต่างกันด้วย และเราสามารถศึกษาองค์ประกอบโมเลกุลของมันในอวกาศได้มีตัวอย่างที่น่าศึกษาเช่นการกระจายตัวของยาและสารในร่างกายของหนู การทดลองดำเนินการดังนี้ หนูจะได้รับยาบางชนิด หลังจากผ่านไปหลายชั่วโมง สัตว์จะถูกทำการุณยฆาต จากนั้นสัตว์จะถูกตัดให้ทั่วร่างกายอย่างประณีต จากนั้นเทคนิคพิเศษของมวลสารช่วยให้คุณสามารถศึกษาองค์ประกอบโมเลกุลของแต่ละจุดในตัวอย่างนี้ได้ หลังจากประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์แล้ว เป็นไปได้ที่จะนึกภาพว่าเมตาโบไลต์ใดบ้างที่สะสมอยู่ สิ่งสำคัญคือต้องศึกษาการกระจายของสารเมตาบอไลต์เนื่องจากหากคุณกำลังใช้ยารักษาโรคปอดบวมสิ่งสำคัญคือต้องไปที่ปอดไม่ใช่ในสมอง มีดผ่าตัดแมสสเปกโตรเมทริกซ์คือ "มีด" ที่ปั๊มโมเลกุลออกจากบริเวณรอยบาก จากนั้นด้วยเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ เป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าศัลยแพทย์คนใดกำลังตัดเนื้อเยื่อ: ป่วยหรือมีสุขภาพดี วิธีนี้กำลังดำเนินการในสหรัฐอเมริกาและการดำเนินการจริงครั้งแรกด้วยมีดดังกล่าวได้ดำเนินการไปแล้ว
ลายนิ้วมือสำหรับแต่ละโมเลกุล
ปัญหาคือสารประกอบทางเคมีหลายร้อยหรือหลายพันชนิดสามารถสอดคล้องกับองค์ประกอบองค์ประกอบเดียวดังนั้นจึงจำเป็นต้องระบุทุกแถวตารางและนี่คืองานหลักของการวิเคราะห์เมแทบอลิซึมสมัยใหม่ น่าเสียดายที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ ลายนิ้วมือของโมเลกุลจะถูกเปรียบเทียบกับที่พบในฐานข้อมูลโมเลกุลเคมี หากตรงกัน เราก็สามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่านี่คือโมเลกุลที่ถูกต้อง แต่ฐานข้อมูลดังกล่าวมีสารจำนวนจำกัดมาก ฐานข้อมูลลายนิ้วมือที่สมบูรณ์ประกอบด้วยสารประกอบประมาณ 20,000-30,000 ชนิด ซึ่งไม่ได้ครอบคลุมถึงสารหลักและสารทุติยภูมิทั้งหมดที่มีอยู่ในร่างกายมนุษย์ด้วยซ้ำ มีปัญหาอีกประการหนึ่ง: ในการเติมเต็มฐานข้อมูลนี้คุณต้องมีสารเคมีบริสุทธิ์และมักจะมีราคาแพง นั่นคือสารเคมีบริสุทธิ์ชนิดหนึ่งมักจะมีราคาหลายสิบหรือหลายร้อยดอลลาร์
วิธีหนึ่งในการระบุตัวตนคือการสร้างลายนิ้วมือใหม่ตัวอย่างเช่น ขณะนี้วิธีการนี้กำลังได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันสเปกโตรมิเตอร์การเคลื่อนที่ของไอออน แม้ว่าแมสสเปกโตรเมทรีจะแบ่งไอออนตามมวล แต่การเคลื่อนที่ของไอออนจะทำให้ไอออนถูกแยกออกจากกันตามขนาด นั่นคือถ้าคุณมีนักวิ่งสองคน - ไม่ใช่นักวิ่งที่หนักและเบา แต่เป็นนักวิ่งที่ตัวใหญ่และตัวเล็กและมีสิ่งกีดขวางระหว่างทาง - ตัวอย่างเช่นตาข่ายที่มีเซลล์นักกีฬาที่มีรูปร่างผอมเพรียวจะ คลานลอดตาข่ายนี้อย่างรวดเร็วและถึงเส้นชัย แต่ตัวอ้วนจะวิ่งออกไปจนกว่าจะออกจากเครือข่ายนี้เขาจะวิ่งตามมาระยะหนึ่ง
วิธีที่สองคือการพยายามค้นหาลายนิ้วมือที่ไม่ต้องการมาตรฐานที่สะอาดเพื่อระบุในห้องปฏิบัติการเราเสนอให้ใช้การแลกเปลี่ยนไอโซโทปที่เรียกว่า
ตัวอย่างเช่นถ้าเราดูโมเลกุลดังกล่าวแล้วเราจะเห็นว่ามันมีอะตอมของไฮโดรเจนที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจน ดังนั้นพวกเขาจึงพิเศษ พวกเขาสามารถออกจากโมเลกุลนี้และกลับไปหามัน ถ้าเรามีโมเลกุลนี้ละลายในน้ำ ไฮโดรเจนก็สามารถออกจากโมเลกุลได้ และไฮโดรเจนก็สามารถกลับจากน้ำได้ และถ้าเราไม่ใช้แค่น้ำ แต่เป็นน้ำหนักโดยที่ไฮโดรเจนมีดิวเทอเรียมแทนไฮโดรเจนก็สามารถออกจากโมเลกุลได้และดิวทีเรียมก็เข้ามาแทนที่ได้ เป็นที่ทราบกันดีว่าดิวเทอเรียมแตกต่างจากไฮโดรเจนในน้ำหนักโมเลกุลต่อหน่วยและเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลสามารถมองเห็นการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวได้ เพียงแค่นับจำนวนไฮโดรเจนดังกล่าวเราก็สามารถพูดได้ว่านี่เป็นโมเลกุลที่จำเป็นหรือไม่จำเป็นไม่ว่าเราจะระบุอย่างถูกต้องหรือไม่ก็ตาม
ปัญญาประดิษฐ์สามารถใช้เพื่อระบุโมเลกุลจากข้อมูลที่มีอยู่ คุณสามารถดำเนินการให้เสร็จสิ้นได้ฐานข้อมูลข้อมูลที่ขาดหายไปโดยใช้วิธีการเรียนรู้เชิงลึก นั่นคือเราฝึกแบบจำลองและคาดการณ์ลายนิ้วมือที่จำเป็นตามโครงสร้างของโมเลกุลซึ่งเราสามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบกับสิ่งที่ได้รับในการทดลอง
ดูเพิ่มเติมที่:
ดาวมฤตยูได้รับสถานะของดาวเคราะห์ที่แปลกประหลาดที่สุดในระบบสุริยะ ทำไม?
มนุษย์สามารถทนต่ออุณหภูมิที่ต่ำมากได้แม้ไม่มีแหล่งความร้อน
นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?