A espectrometria de massa é uma técnica amplamente utilizada que ajuda os cientistas a determinar quais moléculas estão presentes em uma amostra e quanto de cada molécula está presente. Contudo, a maioria dos instrumentos atuais examina uma molécula de cada vez ou em grupos muito pequenos de moléculas. Esta abordagem pode ser lenta, cara e propensa à perda de moléculas raras, mas importantes, escondidas entre moléculas mais abundantes.
Versões mais avançadas desta tecnologia poderão eventualmente permitir aos investigadores capturar a composição molecular completa de uma única célula, monitorizar milhares de reações químicas simultaneamente e acelerar processos como a descoberta de medicamentos.
Um novo estudo descreve os primeiros passos em direção a esse objetivo. Os pesquisadores desenvolveram um protótipo chamado MultiQ-IT que pode processar um grande número de moléculas simultaneamente. Este trabalho fornece uma estrutura para a construção de instrumentos mais rápidos e sensíveis, potencialmente transformando os campos da genômica e da computação.
“A mudança revolucionária no sequenciamento do DNA não foi qualquer mudança na química subjacente. Isso permaneceu essencialmente o mesmo”, disse Brian T. Chait, do Laboratório Rockefeller de Espectrometria de Massa e Química de Íons Gasosos. “Foi a capacidade de executar tantas reações químicas em paralelo que levou o sequenciamento do genoma de um trabalho multibilionário para um trabalho de cerca de US$ 100.”
Gargalos na análise moderna por espectrometria de massa
A espectrometria de massa remonta a cerca de 1913 e é hoje um dos métodos analíticos mais importantes da biologia. Ele funciona ionizando moléculas, ou seja, dando-lhes uma carga e, em seguida, medindo sua relação massa-carga para identificá-las e quantificá-las. Apesar do seu poder, a maioria dos sistemas ainda opera sequencialmente, analisando apenas um ou alguns tipos de íons por vez. Isto limita a sua capacidade de detectar moléculas raras em amostras biológicas complexas.
“É uma tecnologia maravilhosa – você pode fazer coisas analíticas maravilhosas e inimagináveis com ela”, disse Chait. “Mas sempre fiquei um pouco frustrado com suas limitações. No fundo, eu sabia que poderia ser melhor.”
Melhorar esta limitação poderia ter um grande impacto em campos como a proteómica unicelular e a metabolómica, que visam medir todas as proteínas ou metabolitos dentro de uma única célula. Ao contrário do ADN, estas moléculas não podem ser replicadas ou amplificadas e algumas podem ser milhões de vezes menos abundantes que outras. Embora a espectrometria de massa já seja usada nessas áreas, sua sensibilidade atual é muitas vezes insuficiente ao tentar detectar sinais fracos em meio a um ruído de fundo esmagador.
Para enfrentar esse desafio, Chait e sua equipe acreditam que a solução será a “paralelização massiva”, um conceito que já transformou a computação e o sequenciamento de DNA. Na computação, o desempenho pode ser significativamente melhorado dividindo grandes problemas em muitas tarefas menores e processando-os simultaneamente usando unidades de processamento gráfico (GPUs). O sequenciamento de DNA segue um caminho semelhante, permitindo que milhões de reações sejam analisadas simultaneamente a um custo menor.
“É uma ideia bastante óbvia”, disse Andrew Kruczynski, pesquisador sênior do laboratório. “Mas como fazer isso com espectrometria de massa não era óbvio”.
Abordagem paralela inspirada em células
O conceito por trás do MultiQ-IT deriva de pesquisas de longa data sobre como as moléculas entram e saem do núcleo da célula através de estruturas chamadas complexos de poros nucleares. Essas estruturas distribuem o tráfego por muitas pequenas aberturas, em vez de forçar tudo por um único caminho. Os pesquisadores se perguntaram se os espectrômetros de massa poderiam ser redesenhados para operar de maneira semelhante.
O resultado é uma câmara de captura de íons recém-projetada, projetada para substituir uma parte importante de um espectrômetro de massa tradicional. O dispositivo em forma de cubo contém centenas de pequenas aberturas controladas eletricamente. Dentro da câmara, os íons colidem com as moléculas do gás, desaceleram e se movem aleatoriamente. Isso permite que o sistema classifique, salve e direcione vários conjuntos de íons simultaneamente, em vez de processá-los sequencialmente.
A equipe expandiu o projeto de apenas seis aberturas para mais de 1.000, testando como gerenciar e separar íons de maneira eficaz. Eles mostraram que um único fluxo de íons de entrada pode ser dividido em vários fluxos paralelos para análise simultânea.
Processe bilhões de moléculas de uma só vez
O protótipo oferece um desempenho impressionante. A versão de 486 portas pode conter até 10 bilhões de cargas simultaneamente, o que é aproximadamente mil vezes mais do que as armadilhas de íons convencionais.
O sistema também permite que moléculas de fundo comuns escapem, ao mesmo tempo que retém moléculas mais raras e abundantes, melhorando assim a detecção. Isto aumenta a relação sinal-ruído em 100 vezes, tornando possível detectar proteínas anteriormente indetectáveis. Para conseguir isso, os pesquisadores aplicaram uma pequena barreira de tensão na saída da armadilha. Íons com carga única podem escapar, enquanto íons com carga múltipla (muitas vezes mais importantes do ponto de vista biológico) permanecem presos.
Num design maior com 1.134 portas, apenas 39 portas abertas são necessárias para atingir metade da eficiência máxima de filtração do sistema, semelhante à forma como as células utilizam um número limitado de poros nucleares para gerir o tráfego molecular. Os investigadores também descobriram que espalhar os iões através de muitos canais reduz a forte repulsão eléctrica que ocorre quando um grande número de partículas carregadas são comprimidas num pequeno espaço.
Este aumento na sensibilidade pode melhorar a detecção de peptídeos reticulados de baixa abundância, o que é valioso para mapear a estrutura de grandes complexos proteicos. “A coisa menos abundante pode ser mais importante do que a coisa mais abundante”, disse Kruczynski.
Um modelo para instrumentos futuros
Nesta fase, o MultiQ-IT ainda não é um produto comercial acabado, mas sim uma prova de conceito que demonstra o que pode ser alcançado. Os pesquisadores o veem como um projeto fundamental que poderia eventualmente ser desenvolvido em uma ferramenta prática para uso clínico e laboratorial.
“Levaram décadas desde a descoberta das reações de sequenciamento de DNA até a genômica moderna, desde o primeiro transistor até a instalação de um bilhão de transistores em um chip”, disse Chait. “Em ambos os casos, primeiro alguém teve que mostrar que isso poderia ser feito, e então a indústria assumiu. Acho que demonstramos uma maneira de fazer espectrometria de massa de forma mais eficiente.”
