A espectrometria de massas é uma técnica amplamente utilizada que ajuda os cientistas a determinar quais moléculas estão presentes em uma amostra e em que quantidade cada uma se encontra. No entanto, a maioria dos instrumentos atuais examina as moléculas uma a uma ou em grupos muito pequenos. Essa abordagem pode ser lenta, cara e propensa a perder moléculas raras, mas importantes, escondidas entre aquelas mais abundantes.
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 medicamentos.
Um novo estudo descreve um passo inicial nessa direção. Pesquisadores desenvolveram um protótipo chamado MultiQ-IT, que pode processar grandes quantidades de moléculas ao mesmo tempo. O trabalho oferece uma estrutura para a construção de instrumentos mais rápidos e sensíveis, potencialmente permitindo uma mudança semelhante às transformações vistas em genômica e computação.
“O que revolucionou o sequenciamento de DNA não foi nenhuma mudança na química subjacente. Essa permaneceu fundamentalmente a mesma”, diz Brian T. Chait, do Laboratório de Espectrometria de Massas e Química de Íons Gasosos da Rockefeller. “Foi a capacidade de executar muitas reações químicas em paralelo, o que levou o sequenciamento 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 da biologia. Ela funciona ionizando moléculas, ou seja, dando-lhes uma carga elétrica, e depois medindo sua razão massa/carga para 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 por vez. Isso limita sua capacidade de detectar moléculas raras em amostras biológicas complexas.
“É uma técnica maravilhosa — você pode fazer coisas analíticas inacreditáveis com ela”, diz Chait. “Mas sempre fiquei um pouco frustrado com suas limitações. Eu sabia, em meu coração, que poderia ser melhor.”
Melhorar essa limitação poderia ter um impacto significativo em campos como a proteômica de célula única e metabolômica, que buscam medir todas as proteínas ou metabólitos 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 não é suficiente para detectar sinais fracos em meio ao ruído de fundo opressivo.
Para enfrentar esse desafio, Chait e sua equipe acreditavam que a solução seria a “massiva paralelização”, um conceito que anteriormente transformou 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, levou a grandes ganhos de desempenho. O sequenciamento de DNA seguiu um caminho semelhante, permitindo que milhões de reações fossem analisadas ao mesmo tempo a um custo muito menor.
“Era uma ideia muito óbvia”, diz Andrew Krutchinsky, um 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 de uma célula através de estruturas conhecidas como complexos de poro nuclear. Essas estruturas distribuem o tráfego através de 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 maneira semelhante.
O resultado é uma câmara de captura de íons recém-projetada que visa 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, íons colidem com moléculas de gás, desaceleram e se movem aleatoriamente. Isso permite que o sistema classifique, mantenha 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 como os íons poderiam ser gerenciados e separados eficientemente. Eles mostraram que um único fluxo de íons de entrada poderia ser dividido em múltiplos fluxos paralelos para análise simultânea.
Manipulando Bilhões de Moléculas de Uma Só Vez
O protótipo apresentou um desempenho impressionante. Uma versão com 486 portas poderia conter até dez bilhões de cargas ao mesmo tempo, o que representa cerca de mil vezes mais do que as 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 eram anteriormente indetectáveis. Para alcançar isso, os pesquisadores aplicaram uma pequena barreira de tensão elétrica nas saídas da armadilha. Íons carregados individualmente podiam escapar, enquanto íons multiplemente carregados, 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 usam um número limitado de poros nucleares para gerenciar o tráfego molecular. Os pesquisadores também descobriram que espalhar íons através de muitos canais reduz a forte repulsão elétrica que ocorre quando grandes números de partículas carregadas de forma semelhante estão compactadas em um pequeno espaço.
Esse aumento na sensibilidade poderia melhorar a detecção de peptídeos entrelaçados 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 Plano 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 é possível. Os pesquisadores o veem como um design fundamental que poderia eventualmente ser desenvolvido em ferramentas práticas para uso clínico e em laboratório.
“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 então a indústria assumiu. Eu acredito que mostramos uma maneira de a espectrometria de massas ser feita de forma mais eficiente.”
