अग्रानुक्रम आयन गतिशीलता प्रयोगों के लिए एक चक्रीय आयन गतिशीलता स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करना
Summary
आयन गतिशीलता स्पेक्ट्रोमेट्री (आईएमएस) बायोमोलेक्यूल्स के लक्षण वर्णन के लिए मास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए एक दिलचस्प पूरक है, विशेष रूप से क्योंकि यह आइसोमेरिज्म के प्रति संवेदनशील है। यह प्रोटोकॉल एक अग्रानुक्रम आईएमएस (आईएमएस / आईएमएस) प्रयोग का वर्णन करता है, जो एक अणु के अलगाव और इसके टुकड़ों की गतिशीलता प्रोफाइल की पीढ़ी की अनुमति देता है।
Abstract
रासायनिक संरचनाओं का सटीक लक्षण वर्णन उनके अंतर्निहित जैविक तंत्र और कार्यात्मक गुणों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस) एक लोकप्रिय उपकरण है लेकिन हमेशा सभी संरचनात्मक विशेषताओं को पूरी तरह से अनावरण करने के लिए पर्याप्त नहीं होता है। उदाहरण के लिए, हालांकि कार्बोहाइड्रेट जैविक रूप से प्रासंगिक हैं, उनका लक्षण वर्णन आइसोमेरिज्म के कई स्तरों से जटिल है। आयन गतिशीलता स्पेक्ट्रोमेट्री (आईएमएस) एक दिलचस्प पूरक है क्योंकि यह आयन संरचनाओं के प्रति संवेदनशील है और इस प्रकार, आइसोमेरिज्म के लिए।
इसके अलावा, हाल की प्रगति ने तकनीक में काफी सुधार किया है: चक्रीय आईएमएस उपकरणों की अंतिम पीढ़ी रैखिक आईएमएस उपकरणों की तुलना में अतिरिक्त क्षमताएं प्रदान करती है, जैसे कि बढ़ी हुई समाधान शक्ति या अग्रानुक्रम आयन गतिशीलता (आईएमएस / आईएमएस) प्रयोगकरने की संभावना। आईएमएस / आईएमएस के दौरान, एक आयन को इसकी आयन गतिशीलता के आधार पर चुना जाता है, खंडित किया जाता है, और इसके टुकड़ों के बारे में आयन गतिशीलता जानकारी प्राप्त करने के लिए पुन: विश्लेषण किया जाता है। हाल के काम से पता चला है कि इस तरह के आईएमएस / आईएमएस डेटा में निहित टुकड़ों की गतिशीलता प्रोफाइल एक विशेष ग्लाइकन के फिंगरप्रिंट के रूप में कार्य कर सकती है और इसका उपयोग संरचनात्मक रूप से प्रासंगिक तरीके से ग्लाइकोमिक्स डेटासेट को व्यवस्थित करने के लिए आणविक नेटवर्किंग रणनीति में किया जा सकता है।
इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य इस प्रकार यह वर्णन करना है कि आईएमएस / आईएमएस डेटा कैसे उत्पन्न किया जाए, नमूना तैयारी से आयन गतिशीलता आयाम के अंतिम टकराव क्रॉस सेक्शन (सीसीएस) अंशांकन तक जो पुनरुत्पादक स्पेक्ट्रा उत्पन्न करता है। एक प्रतिनिधि ग्लाइकन का उदाहरण लेते हुए, यह प्रोटोकॉल दिखाएगा कि चक्रीय आईएमएस उपकरण पर एक आईएमएस / आईएमएस नियंत्रण अनुक्रम कैसे बनाया जाए, आईएमएस आगमन समय को बहाव समय में अनुवाद करने के लिए इस नियंत्रण अनुक्रम के लिए कैसे खाता है (यानी, आयनों पर लागू प्रभावी पृथक्करण समय), और कच्चे डेटा से प्रासंगिक गतिशीलता जानकारी कैसे निकाली जाए। यह प्रोटोकॉल स्पष्ट रूप से एक आईएमएस / आईएमएस प्रयोग के महत्वपूर्ण बिंदुओं को समझाने के लिए डिज़ाइन किया गया है और इस प्रकार नए चक्रीय आईएमएस उपयोगकर्ताओं को सीधे और पुन: प्रस्तुत करने योग्य अधिग्रहण करने में मदद करता है।
Introduction
बायोमोलेक्यूल्स का पूरा रासायनिक लक्षण वर्णन उनके अंतर्निहित जैविक और कार्यात्मक गुणों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। इस अंत तक, “ओमिक्स” विज्ञान हाल के वर्षों में विकसित हुए हैं, जैविक सांद्रता में रासायनिक संरचनाओं के बड़े पैमाने पर लक्षण वर्णन के लिए लक्ष्य। प्रोटिओमिक्स और मेटाबोलोमिक्स में, एमएस जैविक मीडिया में पाए जाने वाले संरचनात्मक विषमता को उजागर करने के लिए एक मुख्य उपकरण बन गया है- विशेष रूप से इसकी संवेदनशीलता और अग्रानुक्रम एमएस (एमएस / एमएस) के माध्यम से संरचनात्मक जानकारी प्रदान करने की क्षमता के लिए धन्यवाद। एमएस / एमएस रणनीतियों में, एक आयन को इसके द्रव्यमान के अनुसार चुना जाता है, फिर खंडित किया जाता है, और अंत में, अणु के फिंगरप्रिंट को स्थापित करने के लिए इसके टुकड़ों के द्रव्यमान का अधिग्रहण किया जाता है। एमएस / एमएस स्पेक्ट्रा, विशेष रूप से, वर्णक्रमीय डेटाबेस 1, 2 से मेल खाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, या अस्थायी रूप से मूल संरचनाओं 3,4 का पुनर्निर्माण किया जा सकता है। इस धारणा के तहत कि समान स्पेक्ट्रा समान यौगिकों से संबंधित हैं, एमएस / एमएस डेटा का उपयोग आणविक नेटवर्क (एमएन) बनाने के लिए भी किया जा सकता है जो एक समानता स्कोर 5,6 के माध्यम से संबंधित प्रजातियों को जोड़ता है।
हालांकि, आयनों के द्रव्यमान-से-चार्ज अनुपात (एम / जेड) का पता लगाने के लिए एमएस की अंतर्निहित संपत्ति के कारण, तकनीक कई संरचनात्मक विशेषताओं के लिए अंधा है जो (स्टीरियो) आइसोमेरिज्म की सीमा के भीतर आते हैं। उदाहरण के लिए, कार्बोहाइड्रेट कई मोनोसेकेराइड सबयूनिट्स से बने होते हैं, जिनमें से कई स्टीरियोआइसोमर्स या यहां तक कि एपिमर (उदाहरण के लिए, जीएलसी बनाम गैल या जीएलसी बनाम मैन) हैं। ये सबयूनिट्स ग्लाइकोसिडिक बांड से जुड़े होते हैं, जो लिंकेज (रीजियोआइसोमेरिज्म) की स्थिति और एनोमेरिक कार्बन (एनोमेरिज्म) के स्टेरिक कॉन्फ़िगरेशन से भिन्न हो सकते हैं। ये विशेषताएं स्टैंडअलोन एमएस के लिए कार्बोहाइड्रेट आइसोमर्स 7 के बीच अंतर करना मुश्किल बनाती हैं, और उच्च ऊर्जा सक्रियण विधियों 8,9,10 का उपयोग करके केवल रेजियोआइसोमेरिज्म को संबोधित किया जा सकता है। यद्यपि व्युत्पत्तिकरण स्टीरियोआइसोमेरिक समूह 11 की तुल्यता को बाधित करने का एक विकल्प है, इसके लिए व्यापक नमूना तैयारी की आवश्यकता होती है। एक और, अधिक सीधा विकल्प आईएमएस को आइसोमेरिज्म के प्रति संवेदनशील एक विश्लेषणात्मक आयाम के साथ जोड़ना है, जैसे कि आईएमएस।
क्योंकि यह प्रोटोकॉल उन उपयोगकर्ताओं के लिए डिज़ाइन किया गया है जो पहले से ही आईएमएस की मूल अवधारणाओं से परिचित हैं, और क्योंकि विस्तृत समीक्षाएं कहीं और उपलब्ध हैं12,13, केवल आईएमएस के सिद्धांतों का एक संक्षिप्त अवलोकन यहां दिया गया है। आईएमएस एक गैस-चरण पृथक्करण विधि है जो एक बफर गैस और एक विद्युत क्षेत्र के साथ आयनों की बातचीत पर निर्भर करती है, अंततः आयनों को उनके गैस-चरण संरचनाओं के अनुसार अलग करती है। एमएस के लिए युग्मित आईएमएस के विभिन्न सिद्धांतों को वाणिज्यिक उपकरणों पर पाया जा सकता है: कुछ वैकल्पिक उच्च और निम्न विद्युत क्षेत्रों (क्षेत्र असममित आईएमएस, एफएआईएमएस) पर काम करते हैं, जबकि अधिकांश कम क्षेत्र सीमा के भीतर काम करते हैं – विशेष रूप से बहाव ट्यूब आईएमएस (डीटीआईएमएस, रैखिक रूप से कम बिजली के क्षेत्र), यात्रा तरंग आईएमएस (टीडब्ल्यूआईएमएस, सममित संभावित तरंगें), और फंसे हुए आईएमएस (टीआईएमएस, विद्युत क्षेत्रों के खिलाफ बफर गैस ट्रैपिंग आयनों का उच्च प्रवाह) 13 . कम क्षेत्र के तरीके एक तथाकथित सीसीएस तक पहुंच की अनुमति देते हैं, आयन-गैस जोड़ी की एक संपत्ति जो आयन की सतह (Å2 या nm2 में) का प्रतिनिधित्व करती है जो अलगाव के दौरान बफर गैस के साथ बातचीत करती है। सीसीएस सैद्धांतिक रूप से साधन-स्वतंत्र है और इस प्रकार डेटा उत्पन्न करने के लिए उपयोगी है जिसे विभिन्न प्रयोगशालाओं के बीच पुन: पेश किया जा सकता है। आयन गतिशीलता पृथक्करण को विभिन्न मापदंडों से प्रभावित किया जा सकता है और, विशेष रूप से, गतिशीलता सेल में गैस दबाव और गैस के तापमान के उतार-चढ़ाव से। सीसीएस अंशांकन इसे ठीक करने का एक तरीका है, क्योंकि कैलिब्रेंट और ब्याज की प्रजातियां दोनों समान रूप से प्रभावित होंगी। हालांकि, तापमान-नियंत्रित कमरे में उपकरण स्थापित करना और एक विश्वसनीय गैस दबाव नियंत्रण प्रणाली होना अनिवार्य है।
आईएमएस का एक दिलचस्प विकास आईएमएस / आईएमएस है, जिसे पहली बार 2006 में क्लेमर के समूह द्वारा एमएस / एमएस 15,16 के एनालॉग के रूप में पेश किया गया था। आईएमएस / आईएमएस में, ब्याज के एक आयन को इसकी आयन गतिशीलता के आधार पर चुनिंदा रूप से अलग किया जाता है; यह तब सक्रिय है (संभव विखंडन तक), और सक्रिय आयन या टुकड़ों का एक नया आईएमएस विश्लेषण किया जाता है। पहले वाद्य डिजाइन में, दो आईएमएस कोशिकाओं को श्रृंखला में रखा गया था, जो एक आयन फ़नल द्वारा अलग किया गया था जहां सक्रियण खड़ा था। तब से, हालांकि कई आईएमएस / आईएमएस सेटअप प्रस्तावित किए गए थे (समीक्षा के लिए, एल्ड्रिड और थैलेसिनोस 17 देखें), आईएमएस / आईएमएस क्षमता के साथ पहला वाणिज्यिक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर केवल 201918 में उपलब्ध हुआ। इस उपकरण ने एक और तकनीकी सफलता के साथ संयोजन करके प्रारंभिक अवधारणा में काफी सुधार किया: आईएमएस सेल का एक चक्रीय डिजाइन।
चक्रीय आईएमएस सेल सैद्धांतिक रूप से बहाव पथ की लंबाई को बढ़ाने की अनुमति देता है और इस प्रकार, साधन 19 की समाधान शक्ति। यह एक विशेष उपकरण ज्यामिति के माध्यम से प्राप्त किया गया था, जहां चक्रीय TWIMS सेल को मुख्य आयन ऑप्टिकल अक्ष पर ऑर्थोगोनल रूप से रखा जाता है। आईएमएस सेल के प्रवेश द्वार पर एक मल्टीफंक्शन सरणी क्षेत्र आयन पथ की दिशा को नियंत्रित करने की अनुमति देता है: (i) आईएमएस पृथक्करण के लिए आयनों को बग़ल में भेजना, (ii) एमएस डिटेक्शन के लिए आगे, या (iii) आईएमएस सेल से पीछे की ओर एक प्रीएरे सेल में संग्रहीत किया जाना है। इस प्रीएरे स्टोर सेल से, आयनों को सक्रिय किया जा सकता है और आयन गतिशीलता माप के लिए आईएमएस सेल में टुकड़ों को फिर से इंजेक्ट किया जा सकता है, एक दृष्टिकोण जिसका उपयोग स्टीरियोआइसोमर्स 20 को चिह्नित करने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है। आखिरकार, एकत्र किए गए डेटा में अग्रदूत और इसके टुकड़ों के लिए आयन गतिशीलता और एम / जेड जानकारी होती है।
हाल के एक प्रकाशन में जिसने ग्लाइकन विश्लेषण (Ollivier et al.21) के लिए इस चक्रीय डिजाइन का उपयोग किया, हमने दिखाया कि इस तरह के आईएमएस / आईएमएस डेटा में निहित टुकड़ों की गतिशीलता प्रोफ़ाइल एक बायोमोलेक्यूल के फिंगरप्रिंट के रूप में कार्य करती है जिसका उपयोग आणविक नेटवर्किंग रणनीति में किया जा सकता है। परिणामी नेटवर्क, जिसे आईएम-एमएन कहा जाता है, ने संरचनात्मक रूप से प्रासंगिक तरीके से ग्लाइकोमिक्स डेटासेट के संगठन का नेतृत्व किया, जबकि एमएस / एमएस डेटा (एमएस-एमएन) से पूरी तरह से निर्मित नेटवर्क ने बहुत कम जानकारी का खुलासा किया। इस प्रकाशन के पूरक और चक्रीय IMS उपयोगकर्ताओं को इस वर्कफ़्लो को कार्यान्वित करने में मदद करने के लिए, यह प्रोटोकॉल डेटा एकत्र करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रोटोकॉल का पूर्ण विवरण प्रदान करता है. यह प्रोटोकॉल केवल IMS/IMS डेटा की पीढ़ी पर केंद्रित है जिसका उपयोग उपयोगकर्ता तब IM-MN नेटवर्क (see21) बनाने के लिए कर सकते हैं – या उनकी पसंद के किसी भी अन्य अनुप्रयोग के लिए। IM-MN के निर्माण पर यहां विचार नहीं किया जाएगा, क्योंकि आणविक नेटवर्किंग के लिए प्रोटोकॉल पहले से ही उपलब्ध हैं22। मूल्यवान और पुनरुत्पादक आईएमएस /आईएमएस अधिग्रहण उत्पन्न करने के लिए जिन महत्वपूर्ण बिंदुओं का पालन किया जाना चाहिए, उन्हें हाइलाइट किया गया है। ओलिवियर एट अल द्वारा अध्ययन किए गए ओलिगोसेकेराइड्स में से एक का उदाहरण लेते हुए। 21, निम्नलिखित चरणों को विस्तृत किया गया है: (i) नमूना तैयारी, (ii) चक्रीय आईएमएस साधन की ट्यूनिंग, (iii) डेटा का स्वचालित पीक-पिकिंग, और (iv) सीसीएस अंशांकन।
Protocol
Representative Results
Discussion
SELECT SERIES Cyclic IMS एक शक्तिशाली उपकरण है जो एक परिभाषित आयन आबादी का चयन करने की अनुमति देता है – किसी दिए गए m / z और आयन गतिशीलता का – अपस्ट्रीम क्रोमैटोग्राफिक अलगाव की आवश्यकता के बिना। उपकरण इस आयन आबादी के ए…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
एस.ओ. अपने पीएचडी (अनुदान ANR-18-CE29-0006) वित्त पोषण के लिए फ्रांसीसी राष्ट्रीय अनुसंधान एजेंसी के लिए आभारी है।
Materials
| 33-α-L- plus 23-α-L-Arabinofuranosyl-xylotetraose (XA3XX/XA2XX) mixture | Megazyme Ltd., Wicklow, Ireland | O-XAXXMIX | XA2XX + XA3XX mixture |
| 33-α-L-Arabinofuranosyl-xylotetraose (XA3XX) | Megazyme Ltd., Wicklow, Ireland | O-XA3XX | Pure XA3XX standard |
| Eppendorf Safe-Lock Tubes, 1.5 mL, Eppendorf Quality, colorless, 1,000 tubes | Eppendorf, Hamburg, Germany | 0030120086 | Used to prepare the carbohydrate stock solution and dilution |
| FALCON 50 mL Polypropylene Conical Tube 30 x 115 mm | Corning Science México S.A. de C.V., Reynosa, Tamaulipas, Mexico | 352070 | Used to prepare the aqueous stock solution of 100 mM LiCl |
| Lithium Chloride (ACS reagent, ≥99 %) | Sigma-Aldrich Inc., Saint Quentin Fallavier, France | 310468 | Used to dope the sample with lithium |
| Major Mix IMS/Tof Calibration Kit | Waters Corp., Wilmslow, UK | 186008113 | Calibration solution for MS and IMS |
| MassLynx 4.2 SCN1016 Release 6 (Waters Embedded Analyser Platform for Cyclic IMS 2.9.1 Release 9) | Waters Corp., Wilmslow, UK | 721022377 | Cyclic IMS vendor software for instrument control and data processing |
| Methanol for HPLC PLUS Gradient grade | Carlo-Erba Reagents, Val de Reuil, France | 412383 | High-purity solvent |
| MS Leucine Enkephaline Kit | Waters Corp., Wilmslow, UK | 700002456 | Reference compound used for tuning of the mass spectrometer |
| SCHOTT DURAN 100 mL borosilicate glass bottle | VWR INTERNATIONAL, Radnor, Pennsylvania, US | 218012458 | Used to prepare the solution of 500 µM LiCl in 50:50 MeOH/Water |
| SELECT SERIES Cyclic IMS | Waters Corp., Wilmslow, UK | 186009432 | Ion mobility-mass spectrometer equipped with a cylic IMS cell |
| Website: http://mzmine.github.io/ | MZmine Development Team | – | Link to download the MZmine software |
| Website: https://github.com/siollivier/IM-MN | INRAE, UR BIA, BIBS Facility, Nantes, France | – | Link to an in-house R script containing a CCS calibration function |
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