Los científicos de Caltech han desarrollado un método impulsado por el aprendizaje automático que les permite medir con precisión la masa de partículas y moléculas individuales utilizando complejos dispositivos a nanoescala. La nueva técnica abre la posibilidad de utilizar una variedad de herramientas para la medición de masa y, por lo tanto, la identificación de proteínas, y puede allanar el camino para secuenciar el proteoma completo, la colección de todas las proteínas presentes en un organismo.
Las proteínas son los motores de los sistemas vivos. Saber qué proteínas se producen, dónde y en qué cantidades puede proporcionar información importante sobre la salud de los sistemas, qué sucede en caso de enfermedad y pistas sobre posibles formas de combatirlas. Pero los científicos aún no tienen forma de caracterizar todo el proteoma.
“Ahora estamos hablando de espectrometría de masas a nivel de una sola molécula; la capacidad de observar proteínas enteras en tiempo real sin cortarlas”, dice Michael Roux, profesor Frank J. Rochek de Física, Física Aplicada y Bioquímica. un artículo en Ingeniería y Revista Comunicaciones de la naturaleza Lo que explica la nueva técnica. “Si contamos con una técnica de una sola molécula que tenga un rendimiento lo suficientemente alto como para que podamos medir millones de proteínas en un período de tiempo razonable, podremos comprender todo el proteoma de los organismos, incluidos los humanos”.
La espectrometría de masas es una herramienta analítica común que los científicos utilizan para realizar todo tipo de investigación molecular. Comience con una muestra misteriosa, ionícela (es decir, cárguela eliminando uno o más electrones) y envíela rápidamente por un camino determinado. Luego use un campo magnético o eléctrico para sacudir los iones de un lado a otro y ver qué tan lejos se mueven. Cuanto más ligeros y cargados positivamente sean los iones, más se desviarán. Esto proporciona una manera de medir la masa y la carga de cada uno de los diferentes iones presentes. Con esta información, los investigadores pueden intentar resolver la composición química de la muestra.
La espectrometría de masas se utiliza para muchos propósitos, incluido el análisis de oligoelementos en medicina forense, la detección de biomarcadores de enfermedades y el análisis de residuos de pesticidas. Pero el paso de ionización inicial no es ideal para todas las muestras, especialmente las muestras biológicas que pueden verse alteradas por el proceso.
Las cosas se complican más cuando las muestras son triviales; por ejemplo, cuando los científicos quieren determinar la masa de proteínas individuales. En las últimas dos décadas, con el desarrollo de sofisticados instrumentos a nanoescala llamados sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), se ha hecho posible realizar un tipo de espectrometría de masas que no requiere que la muestra sea ionizada primero. Esto permite realizar mediciones rutinarias de la masa de moléculas pequeñas en tiempo real. Con este enfoque, los científicos no tienen que hacer conjeturas al interpretar qué especies químicas tienen más probabilidades de estar presentes en una muestra. Pero la metodología impide que algunos de los instrumentos NEMS más complejos se utilicen para espectrometría de masas.
La espectrometría de masas NEMS generalmente se logra con un dispositivo de silicio que se puede considerar como un pequeño haz unido a cada extremo. Cuando se golpea el rayo, resuena como la cuerda de una guitarra y se mueve hacia arriba y hacia abajo con formas de modos específicos en diferentes frecuencias.
Si la muestra se coloca sobre dicho haz, las frecuencias individuales de los modos de vibración del haz cambiarán. “A partir de estos cambios de frecuencia, se puede inferir la masa de la muestra”, dice John Suder, profesor de investigación de física aeroespacial y aplicada de Caltech y autor principal del nuevo artículo. “Pero para hacer eso, es necesario conocer la forma de cada modo. Ese es el núcleo de todas estas mediciones en este momento: es necesario saber cómo vibran estos dispositivos”.
Con los dispositivos NEMS modernos, no siempre es posible determinar una forma modal exacta. Esto se debe a que, en la nanoescala, existen variaciones o imperfecciones de un dispositivo a otro que pueden alterar ligeramente las formas modales. Y los últimos dispositivos NEMS que los investigadores han desarrollado para estudiar la física fundamental del reino cuántico tienen modos tridimensionales muy complejos con frecuencias muy cercanas entre sí. “No se pueden calcular simplemente las formas modales y sus frecuencias utilizando la teoría y capturarlas durante las mediciones”, dice Suder.
Otra complicación es que la ubicación precisa en la que se deja caer la muestra dentro de un instrumento afecta la medición de frecuencia del haz. Pensando en este sencillo instrumento de haz, si la muestra se coloca cerca de uno de los extremos atados, la frecuencia no cambiará tanto como si se colocara cerca del centro, por ejemplo, donde la magnitud de la vibración probablemente sea mayor. . Pero con dispositivos de aproximadamente un micrón por un micrón de tamaño, no es posible visualizar la ubicación exacta de la muestra.
Las huellas dactilares indican la ubicación y transportan la masa.
Sader, Roukes y sus colegas han desarrollado una nueva técnica a la que llaman “espectrometría de masas nanoelectromecánica de huellas dactilares”, que evita estos problemas.
Siguiendo este procedimiento, los investigadores colocan aleatoriamente una partícula en el dispositivo NEMS bajo un vacío extremadamente alto y a temperaturas extremadamente bajas. En tiempo real, miden cómo la frecuencia de varios modos del dispositivo cambia con el espacio. Esto les permite crear un vector de alta dimensión que represente estos cambios de frecuencia, con una dimensión vectorial para cada modo. Al hacer esto repetidamente para partículas colocadas en una variedad de ubicaciones aleatorias, crearon una biblioteca de vectores para la herramienta utilizada para entrenar software de aprendizaje automático.
Resulta que cada vector es un objeto de huella digital. Tiene una forma definitoria (o dirección) dependiendo de dónde aterriza la partícula.
“Si tomo una partícula con una masa desconocida y la coloco en cualquier lugar del dispositivo NEMS (no sé dónde aterriza; de hecho, no me importa) y mido la frecuencia de los modos vibratorios. me dará un vector que apunta en una dirección determinada”, explicó Suder. “Si luego lo comparo con todos los vectores de la base de datos y encuentro el que es más paralelo a él, esa comparación me da la masa de la partícula desconocida. Es simplemente la relación de las magnitudes de los dos vectores”.
Roukes y Sader dicen que esta técnica de huellas dactilares puede funcionar con cualquier dispositivo. Para la investigación, el equipo de Caltech realizó un análisis teórico de dispositivos NEMS de cristal fonónico desarrollados en el laboratorio de su colega, el físico de Stanford Amir Safavi-Nene. Estos sofisticados dispositivos NEMS atrapan eficazmente las vibraciones para que en ciertas frecuencias “suenen” durante largos períodos de tiempo, lo que brinda a los investigadores suficiente tiempo para recopilar mediciones de calidad. El método de huellas dactilares permite realizar mediciones de espectrometría de masas con estos sofisticados instrumentos. En preparación, el equipo utilizó dispositivos alternativos para comparar su método de huellas dactilares. Esto implica medir la masa de partículas individuales de GroEL, una proteína chaperona molecular que ayuda al plegamiento adecuado de las proteínas en la célula.
Roukes señala que para grandes complejos proteicos y proteínas de membrana como GroEL, los métodos estándar de espectrometría de masas son problemáticos por varias razones. En primer lugar, esos métodos proporcionan masa y carga totales, y esas mediciones no identifican una sola especie individualmente. Para un complejo tan grande, habría muchos candidatos posibles. “Es necesario aclararlo de alguna manera”, dice Roux. Luego, dice, se utilizaría el reconocimiento de patrones para identificar la molécula madre de todos los fragmentos hijos porque la destruyó en el proceso de corte.
La nueva técnica de huellas dactilares, señala Roux, “está conduciendo a una alternativa llamada espectrometría de masas nativa de una sola molécula, donde se pueden identificar proteínas grandes y complejos de proteínas, uno por uno, sin cortarlos en su forma nativa. Ya veo”.
