Масс-спектрометрию научили измерять отдельные молекулы
Нидерландским физикам удалось создать масс-спектрометр, который может напрямую измерять массу отдельных молекул. Ранее масс-спектрометры работали с молекулярными ансамблями, что приводило к ряду трудностей в измерении больших молекул: перекрытиям спектра и дополнительным сложностям в измерении заряда ионизованных молекул. Новый метод позволяет проанализировать каждую молекулу в отдельности и избежать этих проблем. В ближайшее время изобретение получит широкое распространение в генной терапии, пишут ученые в журнале Nature Methods.
Траектория нейтральной частицы (атома или молекулы) не подвержена действию электрического и магнитного поля. А вот если отобрать у нее несколько электронов, частица обретет заряд, а ее траектория в поле начнет изгибаться. Характер изгиба траектории в поле будет определяться массой частицы и ее зарядом. Физики измеряют ее отклонение от прямолинейного движения, из которого легко получить отношение массы частицы к ее заряду. Отсюда — если известен заряд — физики находят массу молекулы или атома. Такой метод называется масс-спектрометрией.
В свою очередь, масс-спектрометрия делится на множество вариантов. Почти все они основаны на нахождении массы молекулы и ее составных частей из графика отсчетов относительно отношения массы к заряду. Проблема заключается в том, что для больших молекул (например, белковых) получить данные о заряде после ионизации не так просто. Ученые анализируют последовательные пики измерения множества молекул для нахождения нужных данных о заряде и только затем определяют массу молекулы.
Более того, самые незначительные структурные изменения молекул приводят к широкому разбросу в спектре масс и провоцируют нежелательные перекрытия, которые негативно влияют на точность измерения. Решение такой проблемы — измерение каждой молекулы отдельно.
Группа физиков во главе с Тобиасом Вернером (Tobias P. Wörner) из Утрехтского университета решила эту задачу. Ученые продемонстрировали одночастичную масс-спектрометрию с детектированием заряда на основе орбитрапа — электрода, вокруг которого вращаются ионы. Орбитрап — не новое устройство, однако раньше его использовали только для многочастичных измерений. В новой работе молекулы попадают на орбитрап по одной.
Чувствительность современных орбитрапов позволяет анализировать тысячи единичных молекул за несколько минут. Сигнал, детектируемый орбитрапом, несет в себе сразу два показателя: амплитуда связана с зарядом иона, а частота определяет отношение массы иона к заряду. Сигнал с орбитрапа отправляют в компьютер, где проводят его анализ. Физикам удалось создать программу, способную обрабатывать сигнал орбитрапа и выдавать на выход точную массу молекулы. Ученые провели несколько измерений с помощью новой установки и получили результаты, которые хорошо согласуются с предыдущими исследованиями.
Так у ученых появилась возможность рассмотреть каждую молекулу отдельно, а не изучать спектр ансамбля, как это было раньше. Это особенно важно для исследования крупных макромолекулярных соединений, измерения которых на других масс-спектрометрах будут давать погрешность. С помощью одночастичной масс-спектрометрии можно анализировать огромное количество различных комплексов: антитела, рибосомы, белки и вирусы.
Авторы работы уверены, что их метод найдет широкое применение в генной терапии, где точные измерения играют ключевую роль: главная задача генной терапии — правильно добавить ген в безвредый вирус, который доставит его к нужной клетке. Этот ген должен быть строго определенного размера для того, чтобы вирус смог поглотить его правильно. С помощью нового вида масс-спектрометрии можно понять, поглощен ли ген вирусом или какие именно части он поглотил.
Даже без метода одночастичной масс-спектрометрии генная терапия уже помогла мышам с «деменцией боксеров», а генную терапию против гемофилии А назвали безопасной и эффективной в долгосрочной перспективе.
Олег Макаров
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.