Novo protótipo de espectrômetros de massa lida com bilhões de moléculas

Uma versão mais avançada dessa tecnologia poderia, eventualmente, permitir que os pesquisadores capturassem a composição molecular completa de uma única célula, monitorassem milhares de reações químicas simultaneamente e acelerassem processos como a descoberta de fármacos.

Um novo estudo descreve um passo inicial nessa direção. Os pesquisadores desenvolveram um protótipo chamado MultiQ-IT, que consegue processar um grande número de moléculas ao mesmo tempo. O trabalho fornece uma base para a construção de instrumentos mais rápidos e sensíveis, potencialmente possibilitando uma mudança semelhante às transformações observadas na genômica e na computação.

“O que revolucionou a secagem de DNA não foi nenhuma mudança na química subjacente. Isso permaneceu fundamentalmente o mesmo”, diz Brian T. Chait, do Laboratório de Espectrometria de Massas e Química de Íons Gasosos do Rockefeller. “Foi a capacidade de realizar tantas reações químicas em paralelo, que levou a sequenciação do genoma de um esforço que custava bilhões para algo que custa cerca de 100 dólares. A mesma coisa aconteceu na computação com as GPUs. E é isso que estamos tentando fazer com a espectrometria de massas.”

O Gargalo na Espectrometria de Massas Moderna

A espectrometria de massas remonta a cerca de 1913 e se tornou um dos métodos analíticos mais importantes na biologia. O funcionamento dela envolve a ionização de moléculas, conferindo a elas uma carga elétrica, para, em seguida, medir a razão massa/carga com o objetivo de identificá-las e quantificá-las. Apesar de suas capacidades, a maioria dos sistemas ainda opera de forma sequencial, analisando apenas um ou poucos tipos de íons de cada vez. Isso limita sua capacidade de detectar moléculas raras em amostras biológicas complexas.

“É uma técnica maravilhosa — você pode fazer coisas analíticas inimagináveis com ela”, diz Chait. “Mas eu sempre fiquei um pouco frustrado com suas limitações. Eu sabia, no fundo do meu coração, que poderia ser melhor.”

Superar essa limitação pode ter um impacto significativo em áreas como a proteômica e metabolômica de célula única, que buscam medir todas as proteínas ou metabolitos dentro de uma única célula. Diferente do DNA, essas moléculas não podem ser copiadas ou amplificadas, e algumas podem estar milhões de vezes menos abundantes do que outras. Embora a espectrometria de massas já seja utilizada nessas áreas, sua sensibilidade atual muitas vezes não é suficiente para detectar sinais fracos em meio ao ruído de fundo avassalador.

Para enfrentar esse desafio, Chait e sua equipe acreditavam que a solução seria a “paralelização maciça”, um conceito que já transformou a computação e a sequenciação de DNA. Na computação, dividir grandes problemas em muitas tarefas menores e processá-las simultaneamente com unidades de processamento gráfico, ou GPUs, resultou em grandes ganhos de desempenho. A sequenciação de DNA seguiu um caminho semelhante, permitindo que milhões de reações fossem analisadas de uma só vez a um custo muito menor.

“Era uma ideia muito óbvia”, afirma Andrew Krutchinsky, um pesquisador associado sênior no laboratório. “Mas como fazer isso com a espectrometria de massas não era óbvio.”

Uma Abordagem Paralela Inspirada em Células

O conceito por trás do MultiQ-IT surgiu de pesquisas de longo prazo sobre como as moléculas se movem para dentro e para fora do núcleo celular por meio de estruturas conhecidas como complexos de poros nucleares. Essas estruturas distribuem o trânsito por muitas pequenas aberturas em vez de forçar tudo a passar por um único caminho. Os pesquisadores se perguntaram se a espectrometria de massas poderia ser redesenhada para funcionar de maneira semelhante.

O resultado é uma câmara de captura de íons projetada recentemente, que pretende substituir uma parte chave dos espectrômetros de massas tradicionais. Este dispositivo em forma de cubo contém centenas de pequenas aberturas controladas eletricamente. Dentro da câmara, os íons colidem com moléculas de gás, desaceleram e se movem aleatoriamente. Isso permite que o sistema organize, mantenha e direcione múltiplos grupos de íons ao mesmo tempo, em vez de processá-los de forma sequencial.

A equipe expandiu o design de apenas seis aberturas para mais de 1.000, testando a eficácia da gestão e separação dos íons. Eles demonstraram que um único fluxo de íons que entra pode ser dividido em múltiplos fluxos paralelos para análise simultânea.

Gerenciando Bilhões de Moléculas ao Mesmo Tempo

O protótipo apresentou um desempenho impressionante. Uma versão com 486 portas podia manter até dez bilhões de cargas simultaneamente, o que é cerca de mil vezes mais do que as armadilhas iônicas convencionais.

O sistema também melhora a detecção ao permitir que moléculas de fundo comuns escapem enquanto retém as mais raras e informativas. Isso aumentou a razão sinal-ruído em até 100 vezes, tornando possível detectar proteínas que eram anteriormente indetectáveis. Para alcançar isso, os pesquisadores aplicaram uma pequena barreira de tensão elétrica nas saídas da armadilha. Íons com carga única podiam escapar, enquanto íons com múltiplas cargas, que muitas vezes são mais biologicamente importantes, permaneciam presos.

Em um design maior com 1.134 portas, apenas 39 portas abertas eram necessárias para alcançar metade da eficiência máxima de filtragem do sistema, semelhante a como as células utilizam um número limitado de poros nucleares para gerenciar o tráfego molecular. Os pesquisadores também descobriram que espalhar íons por muitos canais reduz a forte repulsão elétrica que ocorre quando grandes quantidades de partículas com carga semelhante são agrupadas em um pequeno espaço.

Esse aumento na sensibilidade poderia melhorar a detecção de peptídeos cruzados de baixa abundância, que são valiosos para mapear as estruturas de grandes complexos de proteínas. “As coisas menos abundantes podem ser mais importantes do que as mais abundantes”, diz Krutchinsky.

Um Modelo para Futuras Ferramentas

Neste estágio, o MultiQ-IT ainda não é um produto comercial final, mas sim uma prova de conceito do que é possível alcançar. Os pesquisadores o veem como um design fundamental que poderia eventualmente ser desenvolvido em ferramentas práticas para uso clínico e laboratorial.

“Houve muito desenvolvimento entre a descoberta de uma reação para sequenciar DNA e a genômica moderna; décadas entre o primeiro transistor e colocar um bilhão de transistores em um chip”, diz Chait. “Em ambos os casos, alguém primeiro teve que mostrar que poderia ser feito, e então a indústria assumiu. Eu acho que mostramos uma forma de fazer a espectrometria de massas de maneira mais eficiente.”