Das chemische Unbekannte aufdecken: Wissenschaftler sind auf der Suche nach den anderen 99 Prozent

Von Pacific Northwest National Laboratory, 27. August 2023

Wissenschaftler am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums entwickeln neue Massenspektrometrietechniken, um 99 % der chemischen Verbindungen zu identifizieren, die noch nicht charakterisiert sind. Durch die Kombination zweier hochauflösender Instrumente wollen sie potenzielle Heilmittel für Krankheiten erschließen, den Klimawandel bekämpfen und neue chemische Bedrohungen identifizieren.

Das Universum ist überschwemmt von Milliarden möglicher Chemikalien. Trotz des Arsenals an fortschrittlicher Technologie, die ihnen zur Verfügung steht, haben Forscher nur die molekulare Zusammensetzung eines winzigen Teils, vielleicht etwa 1 Prozent, dieser Verbindungen identifiziert.

Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums nehmen die anderen 99 Prozent ins Visier und schaffen neue Wege, um mehr über ein riesiges Meer unbekannter Verbindungen zu erfahren. Möglicherweise 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 dividiert durch Ladung, was eine der Methoden bezeichnet, mit denen Wissenschaftler chemische Eigenschaften in der Welt der Massenspektrometrie messen.

„Im Moment können wir eine Probe aus dem Boden entnehmen, wo je nach Bodentyp Tausende chemischer Verbindungen in nur einem Teelöffel enthalten sein können“, sagte Thomas Metz, der die m/q-Initiative leitet. „Und wir wissen nicht, welche chemischen Strukturen die meisten von ihnen haben. Wir haben einfach keine Ahnung, was da drin ist.“

Um Substanzen zu identifizieren, greifen Wissenschaftler in der Regel auf Referenzbibliotheken zurück, die Informationen über Tausende von Molekülen enthalten. Forscher sortieren ihre Proben aus dem Boden, dem Körper oder anderswo und vergleichen das, was sie experimentell gemessen haben, mit dem, was in der Bibliothek vorhanden ist. Das ist zwar hilfreich, beschränkt die Wissenschaftler jedoch darauf, nur die Struktur von Molekülen zu identifizieren, die zuvor gesehen wurden – beispielsweise durch die Analyse von Standardverbindungen, die von Chemikalienlieferanten gekauft wurden.

Adam Hollerbach mit einem SLIM-Gerät, das im Pacific Northwest National Laboratory entwickelt wurde. Bildnachweis: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory

m/q-Wissenschaftler nehmen die anderen 99 Prozent ins Visier, die noch nicht identifiziert wurden.

In der neuesten Entwicklung hat ein Team um den Wissenschaftler Adam Hollerbach zwei hochauflösende Instrumente in einem System kombiniert, um Moleküle in beispielloser Detailgenauigkeit zu messen. Die Ergebnisse wurden am 12. Juni online in der Zeitschrift Analytical Chemistry veröffentlicht.

Jetzt können Wissenschaftler in einem Experiment mehrere wichtige Messungen zu chemischen Verbindungen durchführen und so wichtige Informationen schneller, bequemer und genauer als zuvor gewinnen.

Hollerbachs Technik gilt für Ionen – Moleküle, die entweder eine positive oder negative Ladung haben. Dadurch sind sie einfacher zu kontrollieren und können mithilfe der Massenspektrometrie nachgewiesen werden.

Ionen weisen wie die Menschen, die sie untersuchen, viele Merkmale auf, die sie voneinander unterscheiden. Bei Menschen helfen uns Gewicht, Haarfarbe, Größe, Form, Augenfarbe und viele andere Merkmale dabei, zu erkennen, wer wer ist. Zu den identifizierenden Merkmalen von Ionen gehören Masse, Form, Größe, elektrische Ladung und chemische Zusammensetzung. Diese dienen nicht nur als Identifikatoren, sondern auch als Hinweise auf das Verhalten der zugehörigen Moleküle – beispielsweise Hinweise auf ihr Potenzial, Krankheiten zu heilen oder Schadstoffe aufzusaugen.

Dieses Verständnis sollte die Bemühungen zahlreicher Wissenschaftler am PNNL unterstützen, die sich auf das Verständnis 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 Wissenschaftler müssen noch viel lernen.

„In nur einem Gramm Boden können sich Millionen von Mikroben befinden, und wir wissen nicht, wer die meisten von ihnen sind oder was sie tun. Es gibt noch viel zu entdecken“, sagte Metz. „Aus Sicht der herausfordernden Wissenschaft ist es entweder ein Worst-Case-Szenario oder eine unserer größten Chancen, je nachdem, wie man es betrachtet.“

m/q-Wissenschaftler nutzen die Chance. Anstatt ihre Fragen auf die relativ kleine Anzahl von Verbindungen zu beschränken, die bei herkömmlichen Massenspektrometriemessungen identifiziert werden können, versuchen sie, aktuelle Einschränkungen zu überwinden und eine völlig neue Methode zur Identifizierung dessen zu schaffen, was heute unbekannt ist. Es ist ein bisschen so, als würde man ein neues Teleskop ausfahren und mehrere unterschiedliche Sterne sichtbar machen, wo zuvor nur ein verschwommenes Sammelsurium von Himmelskörpern sichtbar war.

Die Arbeit ist sowohl experimenteller Natur, bei der Moleküle im Labor auf Herz und Nieren geprüft werden, als auch am Computer, wo Wissenschaftler modellieren, was sie sehen, und vorhersagen, was sie wahrscheinlich sehen werden.

In den im Artikel „Analytical Chemistry“ beschriebenen Experimenten führten Hollerbach und Kollegen empfindliche Messungen von Peptiden und Lipiden durch. Die Experimente kombinierten zwei Instrumente mit ähnlichen Namen, die jedoch unterschiedliche Details über Ionen lieferten. 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 und elektrische Ladung eines Ions misst und wie das Ion auseinanderbricht. In dieser Studie verwendete das Team einen von Thermo-Fisher Scientific entwickelten Orbitrap. Solche Instrumente sortieren Moleküle unterschiedlicher Masse gut, zwei Moleküle gleicher Masse lassen sich jedoch nur schwer trennen. Stellen Sie sich zwei Menschen vor, von denen jeder 180 Pfund wiegt – der eine ist groß und dünn, der andere klein und stämmig. Allein im Maßstab wäre es unmöglich, sie zu trennen.

Das zweite Instrument heißt SLIM: Strukturen für verlustfreie Ionenmanipulationen. SLIM, entwickelt vom PNNL-Wissenschaftler Richard D. Smith und Kollegen, ist ein Ionenmobilitätsspektrometer, das die Größe und elektrische Ladung eines Ions misst.

SLIM, das etwa die Größe eines Laptops hat und nur einen Viertel Zoll dick ist, ist ein Treibhaus molekularer Aktivität. Dutzende lange, gewundene Pfade verwandeln das kleine Gerät in eine 42 Fuß lange molekulare Rennstrecke, auf der Ionen, die streng von elektrischen Feldern gesteuert werden, immer wieder auf einem 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 oder durch die anderen Moleküle, taumeln und schwanken, ähnlich wie ein zurücklaufender Fußball durch und um gegnerische Blocker herumläuft. Der Begriff „Ionenmobilitätsspektrometrie“ bringt das Geschehen auf den Punkt.

Indem Wissenschaftler aufzeichnen, wie lange es dauert, bis die Ionen ihren Weg durchlaufen haben – wie geschickt sie die blockierenden Ionen navigieren –, erfahren sie alles Mögliche über die Form und Größe von Ionen. Diese Informationen, die von 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 Molekülformel und sein Fragmentierungsmuster – Eigenschaften, die für das Verständnis der Struktur eines Moleküls von zentraler Bedeutung sind.

„Zwei verschiedene Moleküle können die gleiche Anzahl an Atomen sowie die gleiche Masse und Ladung haben, aber sie können sehr unterschiedliche Strukturen und Aktivitäten haben. Hier kommt SLIM ins Spiel und macht den Unterschied“, sagte Hollerbach. „Schon eine kleine Veränderung kann den Unterschied zwischen einem Molekül, das auf eine Krankheit hinweist, und einem Molekül, das keine Krankheit anzeigt, ausmachen.“

Der Schlüssel zu Hollerbachs Experiment bestand darin, die beiden verschiedenen Instrumente gut zusammenspielen zu lassen. Während sowohl die Standard-Massenspektrometrie als auch die Ionenmobilitätsspektrometrie Ionen analysieren, arbeiten sie auf unterschiedlichen Zeitskalen. Ionen durchlaufen SLIM und erreichen die Orbitrap schneller, als sie verarbeitet werden können.

Deshalb griff Hollerbach auf eine alte Technik zurück und nutzte die „Dual-Gated-Ion-Injection“. Er fügte Tore hinzu, um die Aufnahme von Ionen in das System und ihre Ankunft am Orbitrap zu kontrollieren, und entschied sich dafür, einige der Ionen von SLIM in Vergessenheit zu schicken, um den Fluss auf einer beherrschbaren Geschwindigkeit zu halten.

„Eigentlich sind die Fragen, die wir stellen, sehr einfach“, sagte Hollerbach. „Was ist das und wie viel ist da? Aber die Techniken, die wir verwenden, sind komplex.“

Other m/q scientists are working on additional ways to identify or exploit unknown molecules. Some are creating ways to use data like that from Hollerbach’s experiment to predict an ion’s structure automatically, so drug makers and other scientists would know exactly what they’re working with. Others are scouting out the millions of possibilities for forms of compounds such as fentanylFentanyl is a synthetic opioid drug that is similar to morphine but is 50 to 100 times more potent. It is used to treat severe pain, such as pain from cancer or surgery, and is typically administered via injection or transdermal patch. Fentanyl can also be used recreationally, and its use has been linked to a significant increase in opioid overdose deaths in recent years. Due to its high potency, fentanyl can be dangerous even in small doses, and its use should be closely monitored by a healthcare provider." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fentanyl, das Unwahrscheinliche aus dem heraussortieren, was eines Tages auf der Straße auftauchen könnte. Anschließend sagen sie voraus, wie sich diese Verbindungen in einem Massenspektrometer verhalten würden, und schaffen so eine Möglichkeit, sie zu identifizieren, falls und wann sie tatsächlich auftauchen.

Referenz: „A Dual-Gated Structures for Lossless Ion Manipulations-Ion Mobility Orbitrap Mass Spectrometry Platform for Combined Ultra-High-Resolution Molecular Analysis“ von Adam L. Hollerbach, Yehia M. Ibrahim, Vanessa Meras, Randolph V. Norheim, Adam P . Huntley, Gordon A. Anderson, Thomas O. Metz, Robert G. Ewing und Richard D. Smith, 12. Juni 2023, Analytical Chemistry.DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00881

Die im Artikel „Analytical Chemistry“ beschriebene Arbeit wurde von der m/q-Initiative am PNNL finanziert. Die massenspektrometrischen Messungen wurden am EMSL, dem Environmental Molecular Sciences Laboratory, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am PNNL, durchgeführt.

PNNL-Autoren des Artikels sind neben Hollerbach und Metz Yehia M. Ibrahim, Vanessa Meras, Randolph V. Norheim, Adam P. Huntley, Robert G. Ewing und Richard D. Smith. Gordon Anderson, ehemals PNNL, von GAA Custom Engineering LLC in Benton City, leistete ebenfalls einen Beitrag.