Les scientifiques du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l’Énergie développent de nouvelles techniques de spectrométrie de masse pour identifier les 99 % des composés chimiques non encore caractérisés. Combinant deux instruments à haute résolution, ils visent à découvrir des remèdes potentiels contre les maladies, à lutter contre le changement climatique et à identifier de nouvelles menaces chimiques.
Une nouvelle technique de spectrométrie de masse offre le potentiel d’explorer l’univers chimique inconnu de la nature.
L’univers regorge de milliards de produits chimiques possibles. Malgré l’arsenal de technologies avancées dont ils disposent, les chercheurs n’ont identifié la composition moléculaire que d’une infime partie, peut-être environ 1 %, de ces composés.
Les scientifiques du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) du ministère de l’Énergie s’attaquent aux 99 % restants, créant ainsi de nouvelles façons d’en apprendre davantage sur une vaste mer de composés inconnus. Il peut y avoir des remèdes contre les maladies, de nouvelles approches pour lutter contre le changement climatique ou de nouvelles menaces chimiques ou biologiques cachées dans l’univers chimique.
Le travail fait partie d’une initiative connue sous le nom de m/q ou « m sur q» – un raccourci pour masse divisée par charge, qui désigne l’une des façons dont les scientifiques mesurent les propriétés chimiques dans le monde de la spectrométrie de masse.
« À l’heure actuelle, nous pouvons prélever un échantillon du sol où, selon le type de sol, il peut y avoir des milliers de composés chimiques dans une seule cuillère à café », a déclaré Thomas Metz, qui dirige l’étude. m/q Initiative. « Et nous ne savons pas quelle est la plupart d’entre eux en termes de structure chimique. Nous n’avons tout simplement aucune idée de ce qu’il y a dedans.
Les scientifiques s’appuient généralement sur des bibliothèques de référence contenant des informations sur des milliers de molécules pour identifier les substances. Les chercheurs trient leurs échantillons provenant du sol, du corps ou ailleurs et comparent ce qu’ils ont mesuré expérimentalement à ce qui se trouve dans la bibliothèque. Bien que cela soit utile, cela limite les scientifiques à identifier uniquement structurellement des molécules qui ont déjà été observées, par exemple en analysant des composés standards achetés auprès de fournisseurs de produits chimiques.
Adam Hollerbach avec un appareil SLIM créé au Pacific Northwest National Laboratory. Crédit : Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
m/q les scientifiques s’attaquent aux 99 % restants qui n’ont pas encore été identifiés.
Dans le dernier développement, une équipe dirigée par le scientifique Adam Hollerbach a combiné deux instruments à haute résolution en un seul système pour dimensionner les molécules avec des détails sans précédent. Les résultats ont été publiés en ligne le 12 juin dans la revue Chimie analytique.
Désormais, les scientifiques peuvent effectuer plusieurs mesures importantes sur des composés chimiques au cours d’une seule expérience, obtenant ainsi des informations importantes plus rapidement, plus facilement et avec plus de précision qu’auparavant.
La technique de Hollerbach s’applique aux ions, molécules qui ont une charge positive ou négative. Cela les rend plus faciles à contrôler et à détecter par spectrométrie de masse.
Spectrométrie de masse : outil des chuchoteurs d’ions
Comme les personnes qui les étudient, les ions possèdent de nombreuses caractéristiques qui les distinguent les uns des autres. Chez les humains, le poids, la couleur des cheveux, la taille, la forme, la couleur des yeux et bien d’autres caractéristiques nous aident à savoir qui est qui. Pour les ions, les caractéristiques d’identification comprennent la masse, la forme, la taille, la charge électrique et la composition chimique. Ceux-ci servent non seulement d’identifiants mais également de guides sur le comportement des molécules associées – des indices sur leur potentiel à guérir des maladies ou à absorber des polluants, par exemple.
Cette compréhension devrait aider les efforts des nombreux scientifiques du PNNL qui se concentrent sur la compréhension de l’effet des microbes sur le climat. Les microbes jouent un rôle clé dans la transformation d’éléments comme le carbone en d’autres formes importantes pour la planète. Leur impact sur le réchauffement ou le refroidissement de la planète est considérable. Mais les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre.
« Il peut y avoir des millions de microbes dans seulement un gramme de sol, et nous ne savons pas qui sont la plupart d’entre eux ni ce qu’ils font. Il y a encore beaucoup de découvertes à faire », a déclaré Metz. « Du point de vue du défi scientifique, il s’agit soit du pire des cas, soit de l’une de nos plus grandes opportunités, selon la façon dont vous le regardez. »
m/q les scientifiques saisissent l’occasion. Au lieu de formuler leurs questions dans le nombre relativement restreint de composés pouvant être identifiés dans les mesures conventionnelles de spectrométrie de masse, ils tentent de dépasser les limites actuelles et de créer une toute nouvelle façon d’identifier ce qui est inconnu aujourd’hui. C’est un peu comme lorsqu’un nouveau télescope est déployé et révèle plusieurs étoiles distinctes alors qu’auparavant, un seul méli-mélo flou de corps célestes était visible.
Le travail est à la fois expérimental, mettant les molécules à l’épreuve en laboratoire, et sur ordinateur, où les scientifiques modélisent ce qu’ils voient et prédisent ce qu’ils verront probablement.
Dans les expériences décrites dans le Chimie analytique papier, Hollerbach et ses collègues ont effectué des mesures sensibles des peptides et des lipides. Les expériences combinaient deux instruments portant des noms similaires mais fournissant des détails différents sur les ions. Tous deux sont utilisés en spectrométrie de masse, un domaine dont l’histoire est étroitement liée aux découvertes des scientifiques du PNNL.
Le premier instrument est un spectromètre de masse, qui mesure la masse, la charge électrique et la manière dont l’ion se décompose. Dans cette étude, l’équipe a utilisé un Orbitrap développé par Thermo-Fisher Scientific. De tels instruments trient bien les molécules de masses différentes, mais deux molécules de même masse sont difficiles à séparer. Pensez à deux personnes pesant chacune 180 livres : l’une est grande et mince tandis que l’autre est petite et trapue. Rien qu’à une échelle, il serait impossible de les séparer.
Une approche SLIM : la spectrométrie de mobilité ionique apporte des résultats considérables
Le deuxième instrument est connu sous le nom de SLIM : structures pour des manipulations d’ions sans perte. SLIM, créé par le scientifique du PNNL Richard D. Smith et ses collègues, est un spectromètre de mobilité ionique qui mesure la taille et la charge électrique d’un ion.
SLIM, qui a à peu près la taille d’un ordinateur portable et mesure seulement un quart de pouce d’épaisseur, est un véritable foyer d’activité moléculaire. Des dizaines de chemins longs et sinueux transforment le petit appareil en une piste de course moléculaire de 42 pieds de long, avec des ions étroitement contrôlés par des champs électriques qui courent autour d’un parcours d’obstacles ovale.
Les « obstacles » sont d’autres molécules connues comme les molécules d’hélium ou d’azote. Alors que les ions étudiés parcourent le dispositif SLIM, ils naviguent autour ou à travers les autres molécules, culbutant et faisant des embardées un peu comme un porteur de ballon de football traverse et contourne les bloqueurs adverses. Le terme « spectrométrie de mobilité ionique » rend parfaitement compte de l’action.
En enregistrant le temps qu’il faut aux ions pour terminer leur parcours (avec quelle habileté ils naviguent parmi les ions bloquants), les scientifiques apprennent toutes sortes de choses sur la forme et la taille des ions. Ces informations, qui ne sont pas disponibles à partir d’un instrument de spécification de masse standard, sont combinées avec des données sur la masse, la charge électrique et le modèle de fragmentation de l’ion. Au total, les données fournissent la section efficace de collision de l’ion, sa formule moléculaire et son modèle de fragmentation, propriétés essentielles à la compréhension de la structure d’une molécule.
« Deux molécules différentes peuvent avoir le même nombre d’atomes, la même masse et la même charge, mais elles peuvent avoir des structures et des activités très différentes. C’est là que SLIM entre en jeu et fait la différence », a déclaré Hollerbach. « Un simple petit changement peut faire la différence entre une molécule révélatrice d’une maladie et une autre qui ne l’est pas. »
La clé de l’expérience de Hollerbach était de faire en sorte que les deux instruments différents jouent bien ensemble. Bien que la spectrométrie de masse standard et la spectrométrie de mobilité ionique analysent les ions, elles fonctionnent à des échelles de temps différentes. Les ions traversent SLIM et arrivent à l’Orbitrap plus rapidement qu’ils ne peuvent être traités.
Hollerbach s’est donc appuyé sur une technique ancienne, en déployant une « injection d’ions à double porte ». Il a ajouté des portes pour contrôler l’admission des ions dans le système et pour contrôler leur arrivée à l’Orbitrap, choisissant d’envoyer certains des ions de SLIM dans l’oubli pour maintenir le flux à un rythme gérable.
« En réalité, les questions que nous posons sont très simples », a déclaré Hollerbach. « Qu’est-ce que c’est et combien y a-t-il ? Mais les techniques que nous utilisons sont complexes.
Autre m/q les scientifiques travaillent sur d’autres moyens d’identifier ou d’exploiter des molécules inconnues. Certains créent des moyens d’utiliser des données comme celles de l’expérience de Hollerbach pour prédire automatiquement la structure d’un ion, afin que les fabricants de médicaments et d’autres scientifiques sachent exactement avec quoi ils travaillent. D’autres explorent les millions de possibilités pour des formes de composés tels que fentanyl, faisant le tri entre ce qui est improbable et ce qui pourrait apparaître un jour dans la rue. Ensuite, ils prédisent comment ces composés se comporteraient à l’intérieur d’un spectromètre de masse, créant ainsi un moyen de les identifier s’ils apparaissent et quand ils apparaissent.
Les travaux décrits dans le Chimie analytique le document a été financé par le m/q Initiative au PNNL. Les mesures de spectrométrie de masse ont été effectuées à l’EMSL, au Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au PNNL.
Outre Hollerbach et Metz, les auteurs du document PNNL sont Yehia M. Ibrahim, Vanessa Meras, Randolph V. Norheim, Adam P. Huntley, Robert G. Ewing et Richard D. Smith. Gordon Anderson, anciennement de PNNL, chez GAA Custom Engineering LLC à Benton City, a également contribué.
