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 uma existe. Contudo, a maioria dos instrumentos atuais examina moléculas individualmente ou em grupos muito pequenos. Essa abordagem pode ser lenta, cara e propensa a perder moléculas raras, mas importantes, escondidas entre outras mais abundantes.
Uma versão mais avançada desta tecnologia poderia eventualmente permitir aos investigadores capturar a composição molecular completa de uma única célula, controlar milhares de reações químicas simultaneamente e acelerar processos como a descoberta de medicamentos.
Uma nova pesquisa descreve um primeiro passo em direção a esse objetivo. Os pesquisadores desenvolveram um protótipo chamado MultiQ-IT que pode processar um grande número de moléculas simultaneamente. O trabalho fornece uma estrutura para ferramentas mais rápidas e sensíveis, permitindo potencialmente uma mudança semelhante às transformações observadas na genômica e na computação.
“O que revolucionou o sequenciamento do DNA não foi mudar a química subjacente. Ela permaneceu praticamente a mesma”, diz Brian T. Chait, do Laboratório Rockefeller para 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 esforço de bilhões de dólares para algo que custa cerca de US$ 100. A mesma coisa aconteceu na computação com GPUs. E é isso que estamos tentando fazer com a espectrometria de massa.”
Um gargalo na espectrometria de massa moderna
A espectrometria de massa remonta a cerca de 1913 e tornou-se um dos métodos analíticos mais importantes da biologia. Funciona ionizando moléculas, o que significa dar-lhes uma carga elétrica e, em seguida, medir a sua relação massa-carga para identificá-las e quantificá-las. Apesar de suas capacidades, a maioria dos sistemas ainda opera sequencialmente, analisando apenas um ou mais tipos de íons por vez. Isto limita a sua capacidade de detectar moléculas raras em amostras biológicas complexas.
“É uma técnica maravilhosa – você pode fazer coisas analíticas inimaginavelmente excelentes com ela”, diz Chait. “Mas sempre fiquei um pouco decepcionado 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 numa única célula. Ao contrário do ADN, estas moléculas não podem ser copiadas ou expandidas e algumas podem ser milhões de vezes mais pequenas 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 resolver esse problema, Chait e sua equipe acreditavam que a solução seria a “paralelização massiva”, um conceito que já havia transformado a computação e o sequenciamento de DNA. Na computação, dividir grandes problemas em muitas tarefas menores e processá-los simultaneamente usando GPUs ou GPUs levou a ganhos significativos de desempenho. O sequenciamento de DNA seguiu um caminho semelhante, permitindo que milhões de reações fossem analisadas simultaneamente a custos muito mais baixos.
“Era uma ideia muito óbvia”, diz Andrew Krutczynski, cientista sênior do laboratório. “Mas como fazer isso com espectrometria de massa não estava claro.”
Uma abordagem inspirada em células paralelas
O conceito MultiQ-IT surgiu de estudos de longo prazo sobre como as moléculas entram e saem do núcleo da célula através de estruturas conhecidas como complexos de poros nucleares. Esses projetos distribuem o tráfego através de muitas pequenas aberturas, em vez de enviar tudo por um único caminho. Os pesquisadores se perguntaram se a espectrometria de massa poderia ser reprojetada para funcionar de maneira semelhante.
O resultado é uma câmara de captura de íons recentemente desenvolvida, projetada para substituir uma parte importante dos espectrômetros de massa tradicionais. Este dispositivo em forma de cubo contém centenas de pequenos orifícios elétricos. Dentro da câmara, os íons colidem com as moléculas do gás, desaceleram e se movem aleatoriamente. Isso permite que o sistema classifique, retenha e direcione vários grupos de íons simultaneamente, em vez de processá-los sequencialmente.
A equipe expandiu o projeto de seis furos para mais de 1.000, testando a eficiência com que os íons poderiam ser direcionados e separados. Eles mostraram que um único fluxo de íons de entrada pode ser dividido em vários fluxos paralelos para análise simultânea.
Processando bilhões de moléculas simultaneamente
O protótipo mostrou um desempenho impressionante. A versão de 486 portas poderia conter até dez bilhões de cargas simultaneamente, cerca de mil vezes mais do que as armadilhas de íons convencionais.
O sistema também melhora a detecção, permitindo a saída de moléculas comuns de fundo, mantendo no seu interior as raras e mais informativas. Isto aumentou a relação sinal-ruído em até 100 vezes, tornando possível detectar proteínas anteriormente indetectáveis. Para conseguir isso, os pesquisadores aplicaram uma pequena barreira de tensão elétrica nas saídas da armadilha. Os íons com carga única poderiam escapar, enquanto os íons com carga múltipla, que muitas vezes são mais importantes do ponto de vista biológico, permaneceram presos.
No projeto maior de 1.134 portas, apenas 39 portas abertas foram necessárias para atingir metade da eficiência de filtração máxima, semelhante à forma como as células usam um número limitado de poros nucleares para controlar o tráfego molecular. Os pesquisadores também descobriram que espalhar os íons através de muitos canais reduz a forte repulsão elétrica que ocorre quando um grande número de partículas igualmente carregadas são compactadas em um espaço pequeno.
Esta sensibilidade aumentada pode melhorar a detecção de peptídeos reticulados de baixa abundância, que são valiosos para mapear as estruturas de grandes complexos proteicos. “As coisas menos ricas podem ser mais importantes do que as coisas mais ricas”, diz Krutczynski.
Planeje as ferramentas do futuro
Nesta fase, o MultiQ-IT ainda não é um produto comercial pronto, mas sim uma prova de conceito que mostra o que pode ser alcançado. Os pesquisadores veem isso como um projeto fundamental que poderia eventualmente ser desenvolvido em ferramentas práticas para uso clínico e laboratorial.
“Entre a descoberta da reação de sequenciamento do DNA e a genômica moderna, houve um desenvolvimento significativo; décadas entre o primeiro transistor e um bilhão de transistores em um chip”, diz Chait. “Em ambos os casos, alguém primeiro teve que mostrar que isso era possível, e então a indústria assumiu. Acho que mostramos uma maneira de fazer espectrometria de massa de forma mais eficiente.”
