La espectrometría de masas es una técnica ampliamente utilizada que ayuda a los científicos a determinar qué moléculas están presentes en una muestra y en qué cantidad. Sin embargo, la mayoría de los instrumentos actuales examinan las moléculas una a la vez o en grupos muy pequeños. Este enfoque puede ser lento, costoso y propenso a pasar por alto moléculas raras pero importantes ocultas entre las más abundantes.
Una versión más avanzada de esta tecnología podría eventualmente permitir a los investigadores capturar la composición molecular completa de una sola célula, monitorear miles de reacciones químicas simultáneamente y acelerar procesos como el descubrimiento de fármacos.
Un nuevo estudio describe un primer paso hacia ese objetivo. Investigadores han desarrollado un prototipo llamado MultiQ-IT que puede procesar grandes cantidades de moléculas al mismo tiempo. El trabajo proporciona un marco para construir instrumentos más rápidos y sensibles, lo que podría permitir un cambio similar a las transformaciones observadas en la genómica y la computación.
“Lo que revolucionó la secuenciación de ADN no fue ningún cambio en la química subyacente. Esa ha permanecido fundamentalmente igual”, afirma Brian T. Chait, del Laboratorio de Espectrometría de Masas y Química de Iones Gaseosos de Rockefeller. “Fue la capacidad de ejecutar tantas reacciones químicas en paralelo, lo que llevó la secuenciación del genoma de un esfuerzo de mil millones de dólares a algo que cuesta alrededor de 100 dólares. Lo mismo ocurrió en la computación con las GPU. Y eso es lo que estamos intentando hacer con la espectrometría de masas.”
El Cuello de Botella en la Espectrometría de Masas Moderna
La espectrometría de masas se remonta a alrededor de 1913 y se ha convertido en uno de los métodos analíticos más importantes de la biología. Funciona ionizando las moléculas, es decir, dándoles una carga eléctrica, y luego midiendo su relación masa-carga para identificarlas y cuantificarlas. A pesar de sus capacidades, la mayoría de los sistemas aún operan de forma secuencial, analizando solo uno o unos pocos tipos de iones a la vez. Esto limita su capacidad para detectar moléculas raras en muestras biológicas complejas.
“Es una técnica maravillosa, se pueden hacer cosas analíticas inimaginables con ella”, dice Chait. “Pero siempre me ha frustrado sus limitaciones. Sabía, en mi corazón, que podía ser mejor.”
Mejorar esta limitación podría tener un gran impacto en campos como la proteómica y la metabolómica unicelular, que tienen como objetivo medir todas las proteínas o metabolitos dentro de una sola célula. A diferencia del ADN, estas moléculas no se pueden copiar ni amplificar, y algunas pueden ser millones de veces menos abundantes que otras. Si bien la espectrometría de masas ya se utiliza en estas áreas, su sensibilidad actual a menudo no es suficiente cuando se intenta detectar señales débiles en medio de un ruido de fondo abrumador.
Para abordar este desafío, Chait y su equipo creyeron que la solución sería la “paralelización masiva”, un concepto que transformó previamente la computación y la secuenciación de ADN. En la computación, dividir problemas grandes en muchas tareas más pequeñas y procesarlas simultáneamente con unidades de procesamiento gráfico (GPU) condujo a importantes ganancias de rendimiento. La secuenciación de ADN siguió un camino similar, lo que permitió analizar millones de reacciones a la vez a un costo mucho menor.
“Era una idea muy obvia”, dice Andrew Krutchinsky, un asociado de investigación senior en el laboratorio. “Pero cómo hacerlo con la espectrometría de masas no era obvio.”
Un Enfoque Paralelo Inspirado en las Células
El concepto detrás de MultiQ-IT surgió de una investigación a largo plazo sobre cómo las moléculas se mueven dentro y fuera del núcleo de una célula a través de estructuras conocidas como complejos de poros nucleares. Estas estructuras distribuyen el tráfico a través de muchas pequeñas aberturas en lugar de forzar todo a través de un solo camino. Los investigadores se preguntaron si la espectrometría de masas podría rediseñarse para que funcionara de manera similar.
El resultado es una cámara de atrapamiento de iones de nuevo diseño destinada a reemplazar una parte clave de los espectrómetros de masas tradicionales. Este dispositivo con forma de cubo contiene cientos de pequeñas aberturas controladas eléctricamente. Dentro de la cámara, los iones chocan con moléculas de gas, se ralentizan y se mueven al azar. Esto permite que el sistema clasifique, retenga y dirija múltiples grupos de iones al mismo tiempo en lugar de procesarlos secuencialmente.
El equipo amplió el diseño de solo seis aberturas a más de 1,000, probando qué tan eficazmente se podían administrar y separar los iones. Demostraron que una sola corriente de iones entrante se podía dividir en múltiples corrientes paralelas para un análisis simultáneo.
Procesando Miles de Millones de Moléculas a la Vez
El prototipo entregó un rendimiento impresionante. Una versión con 486 puertos podía contener hasta diez mil millones de cargas a la vez, lo que es aproximadamente mil veces más que las trampas de iones convencionales.
El sistema también mejora la detección al permitir que las moléculas de fondo comunes escapen mientras mantiene las más raras e informativas en su interior. Esto aumentó la relación señal-ruido hasta en 100 veces, lo que hizo posible detectar proteínas que antes eran indetectables. Para lograr esto, los investigadores aplicaron una pequeña barrera de voltaje eléctrico en las salidas de la trampa. Los iones con una sola carga podían escapar, mientras que los iones con múltiples cargas, que a menudo son más importantes biológicamente, permanecían atrapados.
En un diseño más grande con 1,134 puertos, solo se necesitaron 39 puertos abiertos para alcanzar la mitad de la eficiencia máxima de filtrado del sistema, similar a cómo las células utilizan un número limitado de poros nucleares para administrar el tráfico molecular. Los investigadores también encontraron que la dispersión de iones a través de muchos canales reduce la fuerte repulsión eléctrica que ocurre cuando un gran número de partículas con la misma carga se empaquetan en un espacio pequeño.
Este aumento de la sensibilidad podría mejorar la detección de péptidos reticulados de baja abundancia, que son valiosos para mapear las estructuras de complejos proteicos grandes. “Las cosas menos abundantes pueden ser más importantes que las más abundantes”, dice Krutchinsky.
Un Plan para Futuros Instrumentos
En este momento, MultiQ-IT no es un producto comercial terminado, sino una prueba de concepto que muestra lo que se puede lograr. Los investigadores lo ven como un diseño fundamental que podría eventualmente desarrollarse en herramientas prácticas para uso clínico y de laboratorio.
“Hubo mucho desarrollo entre el descubrimiento de una reacción para secuenciar el ADN y la genómica moderna; décadas entre el primer transistor y poner mil millones de transistores en un chip”, dice Chait. “En ambos casos, alguien primero tuvo que demostrar que se podía hacer, y luego la industria se hizo cargo. Creo que hemos demostrado una forma en que la espectrometría de masas se puede hacer de manera más eficiente.”
