محققان با توسعه یک سامانه نوآورانه در حوزه طیفسنجی جرمی (Mass Spectrometry) گام مهمی در جهت افزایش سرعت و دقت تحلیل مولکولها برداشتهاند؛ فناوریای که میتواند مسیر تحقیقات زیستپزشکی، کشف دارو و مطالعه سلولهای منفرد را متحول کند.
به گزارش سایتکدیلی، طیفسنجی جرمی یکی از مهمترین فناوریهای تحلیلی در علوم زیستی و شیمی محسوب میشود که برای شناسایی مولکولهای موجود در نمونهها و اندازهگیری میزان آنها مورد استفاده قرار میگیرد. با وجود پیشرفتهای گسترده این فناوری طی بیش از یک قرن گذشته بیشتر دستگاههای فعلی همچنان مولکولها را بهصورت متوالی و تعداد اندکی در هر مرحله بررسی میکنند؛ محدودیتی که علاوه بر افزایش هزینه و زمان تحلیل احتمال نادیده ماندن مولکولهای نادر اما مهم را نیز افزایش میدهد.
اکنون پژوهشگران با معرفی نمونه اولیهای به نام MultiQ-IT موفق شدهاند راهکاری برای پردازش همزمان تعداد بسیار زیادی از مولکولها ارائه کنند؛ دستاوردی که میتواند طیفسنجی جرمی را وارد مرحلهای مشابه تحولاتی کند که پیشتر در حوزههای توالییابی ژنوم و پردازش رایانهای رخ داده است.
برایان تی چیت از آزمایشگاه طیفسنجی جرمی و شیمی یونهای گازی در دانشگاه راکفلر معتقد است همانطور که کاهش هزینه و افزایش سرعت توالییابی DNA حاصل اجرای همزمان میلیونها واکنش شیمیایی بود طیفسنجی جرمی نیز برای جهش بعدی خود به پردازش موازی گسترده نیاز دارد.
وی توضیح داد که فناوری توالییابی ژنوم نه بهدلیل تغییر در شیمی پایه بلکه به واسطه امکان اجرای همزمان حجم عظیمی از واکنشها متحول شد و هزینه توالییابی را از میلیاردها دلار به حدود ۱۰۰ دلار کاهش داد. به گفته او در دنیای رایانش نیز پردازندههای گرافیکی (GPU) با انجام همزمان وظایف متعدد، تحول مشابهی ایجاد کردند و اکنون پژوهشگران تلاش میکنند همین رویکرد را در طیفسنجی جرمی پیادهسازی کنند.
فناوری طیفسنجی جرمی از حدود سال ۱۹۱۳ مورد استفاده قرار گرفته و به یکی از قدرتمندترین ابزارهای تحلیلی در زیستشناسی تبدیل شده است. در این روش مولکولها یونیزه شده و دارای بار الکتریکی میشوند سپس نسبت جرم به بار آنها اندازهگیری میشود تا هویت و مقدارشان مشخص شود.
با این حال اغلب سامانههای موجود هنوز یونها را بهصورت ترتیبی و تکبهتک پردازش میکنند. این مسئله بهویژه در نمونههای زیستی پیچیده باعث کاهش حساسیت دستگاهها در شناسایی مولکولهای کمیاب میشود.
این محدودیت در حوزههایی مانند پروتئومیکس و متابولومیکس تکسلولی اهمیت بیشتری پیدا میکند؛ حوزههایی که هدف آنها اندازهگیری تمامی پروتئینها یا متابولیتهای موجود در یک سلول منفرد است. برخلاف DNA این مولکولها قابل تکثیر نیستند و معمولا مولکولهای فراوان میلیونها برابر بیشتر از مولکولهای نادر در نمونه حضور دارند؛ موضوعی که تشخیص سیگنالهای ضعیف را بسیار دشوار میکند.
ایده اصلی سامانه MultiQ-IT از مطالعات چند دههای دانشمندان درباره نحوه عبور مولکولها از منافذ هسته سلول الهام گرفته شده است.
در سلولهای زنده ساختارهایی موسوم به مجتمع منافذ هستهای (Nuclear Pore Complexes) اجازه میدهند مولکولها از طریق تعداد زیادی کانال بهطور همزمان جابهجا شوند نه از یک مسیر واحد.
پژوهشگران با الگوبرداری از این سازوکار یک محفظه جدید به داماندازی یونها طراحی کردند که جایگزین یکی از اجزای کلیدی دستگاههای سنتی شده است. این محفظه مکعبیشکل دارای صدها روزنه بسیار کوچک با کنترل الکتریکی است.
درون این محفظه یونها با مولکولهای گاز برخورد کرده سرعتشان کاهش مییابد و بهصورت تصادفی در فضا حرکت میکنند. سپس سیستم قادر است همزمان تعداد زیادی گروه مختلف از یونها را نگهداری، فیلتر و هدایت کند؛ قابلیتی که در دستگاههای متداول وجود ندارد.
محققان در ابتدا طراحی خود را با تنها شش روزنه آزمایش کردند اما در ادامه آن را به بیش از هزار کانال توسعه دادند.
نتایج آزمایشها نشان داد یک جریان ورودی از یونها میتواند به چندین جریان موازی تقسیم شده و بهطور همزمان مورد تحلیل قرار گیرد؛ ویژگیای که بنیان اصلی افزایش سرعت و ظرفیت سیستم جدید محسوب میشود.
بررسی عملکرد نمونههای مختلف MultiQ-IT نشان داد این سامانه بهبود چشمگیری در ظرفیت پردازش ایجاد میکند.
نسخهای از این فناوری که دارای ۴۸۶ درگاه بود توانست همزمان تا ۱۰ میلیارد بار الکتریکی را در خود نگهداری کند؛ ظرفیتی که حدود هزار برابر بیشتر از تلههای یونی متداول است.
علاوه بر این سیستم جدید قادر است مولکولهای مزاحم و رایج پسزمینه را از محفظه خارج کند و در عوض یونهای چندباردار و ارزشمندتر را حفظ کند. این ویژگی نسبت سیگنال به نویز را تا ۱۰۰ برابر افزایش میدهد و امکان مشاهده پروتئینهایی را فراهم میکند که پیشتر قابل شناسایی نبودند.
برای دستیابی به این عملکرد پژوهشگران یک مانع ولتاژی ضعیف در خروجی محفظه ایجاد کردند. در این شرایط یونهای تکبار میتوانند خارج شوند، اما یونهای چندباردار که معمولاً اطلاعات زیستی ارزشمندتری دارند درون سیستم باقی میمانند.
در طراحی بزرگتر شامل ۱۱۳۴ درگاه محققان دریافتند تنها ۳۹ درگاه باز برای دستیابی به نیمی از حداکثر کارایی فیلترسازی کافی است؛ موضوعی که شباهت زیادی به عملکرد منافذ هستهای سلول دارد.
همچنین توزیع یونها در کانالهای متعدد باعث کاهش دافعه الکتریکی میان ذرات همبار میشود؛ مشکلی که همواره یکی از چالشهای اصلی دستگاههای سنتی بوده است.
به گفته پژوهشگران افزایش حساسیت این سامانه میتواند شناسایی پپتیدهای اتصالیافته کمفراوانی را که برای مطالعه ساختار مجتمعهای پروتئینی بزرگ اهمیت دارند تسهیل کند. بسیاری از این مولکولهای کمیاب با وجود تعداد اندک نقشهای زیستی بسیار مهمتری نسبت به مولکولهای فراوان ایفا میکنند.
اگرچه MultiQ-IT هنوز یک محصول تجاری نیست و در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد، اما پژوهشگران آن را پایهای برای توسعه نسل آینده ابزارهای تحقیقاتی و تشخیصی میدانند.
به اعتقاد تیم تحقیقاتی همانطور که فاصله زمانی قابلتوجهی میان کشف روشهای اولیه توالییابی DNA و شکلگیری صنعت ژنومیک مدرن وجود داشت یا دههها طول کشید تا ترانزیستورهای اولیه به تراشههای میلیارد ترانزیستوری امروزی تبدیل شوند، توسعه این فناوری نیز نیازمند سرمایهگذاری و مشارکت صنعت خواهد بود.
دانشمندان امیدوارند با تکامل این فناوری امکان تهیه نقشه کامل مولکولی از یک سلول منفرد، پایش همزمان هزاران واکنش شیمیایی و تسریع چشمگیر فرآیند کشف دارو در سالهای آینده فراهم شود؛ دستاوردی که میتواند فصل جدیدی در علوم زیستی و پزشکی رقم بزند.
انتهای پیام/