Все мы слышали и видели, как картинка окрашивает тысячу слов. Теперь, в научной интерпретации этого высказывания, исследователи из Национальной лаборатории сильного магнитного поля Университета штата Флорида (National MagLab) создают изображения, изображающие тысячи молекул.
Используя уникальный мощный инструмент, ученые усовершенствовали метод, называемый масс-спектрометрической визуализацией (MSI), который переводит множество данных в подробные визуальные изображения молекулярного состава биологических образцов. В их работе, опубликованной на этой неделе в журнале Analytical Chemistry, представлены изображения с таким высоким массовым разрешением, что каждый цвет на изображении представляет собой молекулу определенного типа.
MSI не новинка. В течение многих лет ученые использовали этот метод для преобразования результатов масс-спектрометрического анализа химического состава образца в пространственные представления, показывающие, где и какие молекулы встречаются.
Что отличается сейчас, объяснил химик National MagLab Дон Смит, соответствующий автор исследования, так это широта и глубина данных, полученных с помощью лабораторного масс-спектрометра с ионно-циклотронным резонансом (ICR) мощностью 21 тесла, который поставил мировой рекорд. для краткости называется «21-Т». Тесла - единица силы магнитного поля; магнит на холодильник имеет поле около 0,01 тесла, а типичный больничный магнит МРТ имеет поле 2 или 3 тесла.
21-T позволяет преобразовать изображения масс-спектрометрии в сверхвысокое разрешение, при этом изображение состоит из гораздо большего количества пикселей.
«Мне нравится думать об этом как о максимальной информации на пиксель - сколько химической информации мы можем получить от каждого пикселя за заданный промежуток времени», - сказал Смит.«Мы наблюдаем новые молекулы, которые никогда раньше не наблюдались и никогда не определялись массовым разделением в тканях».
В прошлом году Смит объединилась с Роном Хереном из Маастрихтского института мультимодальной молекулярной визуализации Маастрихтского университета в Нидерландах. Вместе со своей командой ученые в течение месяца проводили эксперименты в 21-T, изучая мозговую ткань здоровых крыс. В каждом 24-часовом эксперименте они фокусировались на определенных биомолекулах. В двух наборах данных, изученных для статьи «Аналитическая химия», команда искала определенные липиды, класс биомолекул, которые выполняют важные функции в организме, в том числе в клеточных мембранах..
Масс-спектрометры представляют собой причудливые молекулярные весы, в которых используется сильный магнит для идентификации каждой молекулы в веществе по ее уникальной массе. Молекулам необходимо сначала придать положительный или отрицательный заряд (ионизировать), чтобы магнит мог их обнаружить. Команда использовала метод, называемый матричной лазерной десорбционной ионизацией (или MALDI), впервые использованный на 21-T для этого проекта со специальным прибором, доставленным из Маастрихта в Таллахасси. С помощью этой установки они смогли методично испарить, ионизировать и измерить ткань толщиной в один волос за раз, каждая из которых содержала тысячи молекул. Таким образом, шаг за шагом, они накапливали измерения, которые специальное программное обеспечение преобразовывало в карту пространственного распределения молекул, подобную МРТ.
«Это сработало сразу же», - сказал Смит об экспериментах. «Это был очень приятный сюрприз».
Весы 21-T, приобретенные National MagLab в 2014 году при финансовой поддержке Химического отдела Национального научного фонда, оказались удивительно чувствительными весами. Смит отметил, что ученым удалось разделить две молекулы с разницей в молекулярном весе примерно в три электрона - примерно 0,00179 дальтона (единица молекулярной массы) или лишь ничтожную долю веса молекулы воды.
«Вот почему мы приходим в MagLab, - сказал Херен, - чтобы раздвинуть границы визуализации и увидеть молекулярные детали, которые в противном случае остались бы скрытыми».
21-T оказался удивительно универсальным инструментом, сказал Крис Хендриксон, директор лаборатории ICR и соавтор статьи.
«Эксперименты, которые он позволил проводить, охватывают весь спектр от медицинской биологии до новых загрязнителей окружающей среды», - сказал он.
Смит сказал, что эта техника может стать мощным инструментом для исследований в области здравоохранения. В настоящее время 21-T обычно используется для изучения молекулярного состава, среди прочих типов образцов, сложных белков. Будущие эксперименты MALDI могли бы выявить не только то, какие молекулы находятся внутри, но и то, где именно они находятся в образце ткани.
Исследователи рака могли бы использовать эту технику для изучения на молекулярном уровне того, где именно и как лекарство проходит через больную ткань; другой ученый мог бы изучить, как организм реагирует на воздействие загрязнителя. Исследователи, возможно, даже смогут сравнивать образцы одного и того же типа клеток друг с другом, чтобы обнаружить тонкие молекулярные различия.
Что касается Смита, у него и его команды есть много работы, и множество данных ожидает анализа.
"В основном мы пробовали всего понемногу", - сказал Смит о прошлогодних экспериментах.
Это два набора данных, осталось 26.
В дополнение к Смиту, Херену и Хендриксону, авторами статьи были Эндрю Боуман (первый автор) и Шейн Эллис из Маастрихтского университета, а также ученый из Национальной лаборатории MagLab Грег Блэкни. Приборы MALDI, используемые для экспериментов, были предоставлены при поддержке голландской провинции Лимбург.