A espectrometria de massas é uma técnica amplamente utilizada que ajuda os cientistas a identificar quais moléculas estão presentes em uma amostra e em que quantidades. No entanto, a maioria dos instrumentos atuais analisa as moléculas uma a uma ou em grupos muito pequenos. Essa abordagem pode ser lenta, cara e propensa a perder moléculas raras, mas importantes, que estão escondidas entre as mais abundantes.
Uma versão mais avançada dessa tecnologia poderia eventualmente permitir que os pesquisadores capturassem toda a composição molecular de uma única célula, monitorassem milhares de reações químicas simultaneamente e acelerassem processos como a descoberta de medicamentos.
Um novo estudo descreve um passo inicial em direção a esse objetivo. Os pesquisadores desenvolveram um protótipo chamado MultiQ-IT, que pode 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 vistas na genômica e na computação.
“O que revolucionou o sequenciamento de DNA não foi nenhuma mudança na química subjacente. Isso permanece fundamentalmente o mesmo”, diz Brian T. Chait, do Laboratório de Espectrometria de Massas e Química de Íons Gasosos da Rockefeller. “Foi a capacidade de realizar tantas reações químicas em paralelo, o que transformou o sequenciamento de genomas de um esforço que custava bilhões para algo que custa cerca de 100 dólares. O mesmo 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 aproximadamente 1913 e se tornou um dos métodos analíticos mais importantes da biologia. Ela funciona ionizando moléculas, o que significa dar a elas uma carga elétrica, e então medindo sua razão massa-carga para identificá-las e quantificá-las. Apesar de suas capacidades, a maioria dos sistemas ainda opera sequencialmente, analisando apenas um ou alguns tipos de íons de cada vez. Isso limita sua capacidade de detectar moléculas raras em amostras biológicas complexas.
“É uma técnica maravilhosa — você pode realizar coisas analíticas inimagináveis com ela”, diz Chait. “Mas sempre fiquei um pouco frustrado com suas limitações. Eu sabia, no fundo, que poderia ser melhor.”
Melhorar essa limitação poderia ter um grande impacto em áreas como a proteômica e metabolômica de célula única, que visam medir todas as proteínas ou metabolitos dentro de uma única célula. Ao contrário do DNA, essas moléculas não podem ser copiadas ou amplificadas, e algumas podem ser milhões de vezes menos abundantes do que outras. Embora a espectrometria de massas já seja utilizada nessas áreas, sua sensibilidade atual muitas vezes fica aquém ao tentar detectar sinais fracos em meio a um ruído de fundo avassalador.
Para abordar esse desafio, Chait e sua equipe acreditavam que a solução seria a “paralelização massiva”, um conceito que já havia transformado a computação e o sequenciamento de DNA. Na computação, dividir grandes problemas em muitas tarefas menores e processá-las simultaneamente com unidades de processamento gráfico, ou GPUs, resultou em ganhos significativos de desempenho. O sequenciamento de DNA seguiu um caminho similar, permitindo a análise de milhões de reações de uma só vez a um custo muito menor.
“Era uma ideia muito óbvia”, diz Andrew Krutchinsky, associado de pesquisa 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 através de estruturas conhecidas como complexos de poro nuclear. Essas estruturas distribuem o tráfego por muitas pequenas aberturas em vez de forçar tudo por um único caminho. Os pesquisadores se perguntaram se a espectrometria de massas poderia ser redesenhada para funcionar de forma semelhante.
O resultado é uma nova câmara de captura de íons destinada a substituir uma parte fundamental 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 classifique, retenha e direcione múltiplos grupos de íons ao mesmo tempo, em vez de processá-los sequencialmente.
A equipe expandiu o design de apenas seis aberturas para mais de 1.000, testando quão eficazmente os íons poderiam ser geridos e separados. Eles demonstraram que um único fluxo de íons que entra poderia 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 poderia reter até dez bilhões de cargas ao mesmo tempo, o que é cerca de mil vezes mais do que os armadilhas de íons convencionais.
O sistema também melhora a detecção ao permitir que moléculas de fundo comuns escapem enquanto retém aquelas mais raras e informativas. Isso aumentou a relação sinal-ruído em até 100 vezes, tornando possível detectar proteínas que antes eram 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 carregados múltiplas vezes, que costumam ser mais biologicamente importantes, permaneciam presos.
Em um design maior com 1.134 portas, apenas 39 portas abertas eram necessárias para atingir metade da eficiência máxima do sistema, semelhante à forma como as células usam 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 cargas similares são armazenadas 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 Futuros Instrumentos
Neste estágio, o MultiQ-IT ainda não é um produto comercial final, mas sim uma prova de conceito que demonstra o que pode ser alcançado. 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 sequenciamento de DNA e a genômica moderna; décadas entre o primeiro transistor e a colocação de um bilhão de transistores em um chip”, diz Chait. “Em ambos os casos, alguém teve que mostrar que isso poderia ser feito e, em seguida, a indústria assumiu. Acredito que mostramos uma maneira de a espectrometria de massas ser feita de forma mais eficiente.”
