Orbitální pasti ve službách pokroku

Kam směřuje vývoj orbitálních pastí? Kde bude orbitrap za pět, deset let? Zastaví se ohromný rozvoj této techniky, který započal před pár desetiletími, nebo bude dále expandovat? Podobné otázky nás mohou napadat při každodenních převratných objevech, kterým hmotnostní spektrometrie s orbitální pastí napomáhala (ať už jde o studium moderních léků, nakažlivých chorob, kontaminantů životního prostředí, metabolitů, nových materiálů, apod.)

Obr. 1: Akvizice významných společností korporátem Thermo Fisher Scientific.

Obr. 2: Deset léčiv generujících největší globální obrat za rok 2021 (vlevo) spolu se schématickým znázorněním vývoje bio-terapeutik na bázi implementace mRNA (vpravo). 

Vývoj bude nasměrován tam, kam zavelí trh, a samozřejmě bude následovat kroky společnosti Thermo Fisher Scientific , výrobce této jedinečné technologie, jež za poslední dekádu uskutečnila řadu akvizic nemalých firem v řádu desítek miliard dolarů. Zmíněné implementace mají logický podtext a společný základ, kterými jsou diagnostika nemocí a výzkum, výroba a analýza biologických léčiv . To nám napovídá, do jakých oblastí Thermo plánuje vstoupit. Mezi deseti nejprodávanějšími léčivy loňského roku (ve smyslu nejvyššího dosaženého dolarového obratu) bylo sedm biofarmak. Pět proteinových struktur (hlavně monoklonálních protilátek) a dvě mRNA vakcíny proti covidu bohatě probírány jak ve vědeckých kruzích, tak v nejzapadlejších putykách (Pfizer-BioNTech/Comirnaty a Moderna/Spikevax).

Obr. 3: Znázornění analyticky významných struktur částic používaných při vývoji a výrobě biofarmak.

Obr. 4: Schématické znázornění algoritmu klasického výpočtu nábojových stavů iontů v hmotnostním spektru (vlevo) a příklad složitějšího hmotnostní spektra, kde tento výpočet nelze aplikovat (vpravo).

Ať už se biosyntéza kýžených makromolekul děje in-vivo či in-vitro , ať je vyprodukují hmyzí či savčí buňky, ať se vektor nukleové kyseliny zavádí do buněk pomocí viru nebo v nanočástici, jedno je jasné – hmotnostní spektrometrie ve všech stupních bio-výroby může značně pomoci a jedním instrumentem ozřejmit i na první pohled utajené informace. Všechny biofarmaceuticky významné entity či jejich části, tj. od menších terapeutických proteinů, oligonukleotidů, přes monoklonální protilátky, membránové proteiny, nukleové kyseliny až po virové skelety jsou ionizovatelné a hmotnostně spektrometricky „viditelné“. Pokud se Thermo tímto směrem opravdu vydá, zcela jistě s sebou do služeb pokroku přizve i své jedinečné orbitální pasti. A první náznaky jsou již zřejmé: Společnost Thermo Fisher Scientific představila během 70. konference Americké společnosti pro hmotnostní spektrometrii (ASMS) v Minneapolis Convention Center řadu novinek, jež byly popsány v článku Novinky Thermo Fisher Scientific uvedené na ASMS 2022.

Obr. 5: Novinky společnosti Thermo Fisher Scientific uvedené během 70. konference Americké společnosti pro hmotnostní spektrometrii (ASMS 2022) v Minneapolis Convention Center.

Obr. 6: Schématické znázornění hmotnostního spektrometru typu Charge Detection Mass Spectrometer.

Velkým přínosem pro hmotnostní spektrometrii megadaltonových částic se zdá být zavedení technologie Direct Mass, která prakticky umožní okamžitě převést škálu m/z hmotnostního spektra do dimenze pouhého m tak, že pro každý iont se stanoví jeho náboj měřením, nikoliv výpočtem (jak bývá zvykem u dekonvolučních algoritmů), který ve složitějších spektrech částic ani není možný. Technika měření náboje jednotlivých iontů známá pod označením Charge Detection Mass Spectrometry (CDMS) se dá s výhodou využít u orbitálních pastí a nikdy nenabyla takového významu, jako dnes při mohutném rozvoji biofarmaceutických produktů a potřeb jejich analytického podchycení. Zajímavou přidanou hodnotou při rekonstrukci spektra ze škály m/z do m je několikanásobné zvýšení rozlišení, jakožto důsledek dostatečně dlouhé doby sběru dat jednotlivých iontů (transient) a minimalizace interferencí v pasti.

Obr. 7: Kvantovaná intenzita signálu jedné, dvou a  tří nabitých částic Flock House viru získané pomocí orbitální pasti

Obr. 8: Hmotností spektra vybraných částic s určením nábojových stavů pomocí technologie Direct Mass a orbitální pasti.

Obr. 10: Rodina hmotnostních spektrometrů s analyzátorem na bázi orbitální pasti (vlevo řada Q-Orbitrap známá jako Q Exactive či Exploris, vpravo řada tribridů Q-LIT-Orbitrap)

Obr. 11: Nová architektura tribridních spektrometrů Orbitrap Ascend s kvadrupólem, lineární iontovou pastí, orbitální pastí a dvěma Ion-Routing Multipole.

Pro více informací nás kontaktujte na eliasova@pragolab.cz .