Infrarood ionenspectrospie brengt moleculaire structuren en complexe reacties in MS toepassingen in kaart

7 juli 2016

Vici laureaat en chemicus Prof. Jos Oomens combineert in zijn onderzoek massaspectrometrie met IR spectroscopie, om zo de moleculaire structuur van ionen in de massaspectrometer te kunnen bepalen. Het onderzoeksteam van het FELIX laboratorium aan de Radboud Universiteit is er nu voor het eerst in geslaagd deze methode te gebruiken om electron-geïnduceerde dissociatie reacties in MS op te helderen.

Massaspectrometrie neemt een vooraanstande plaats in binnen de analytische methodes en staat aan de basis van belangrijke ontwikkelingen in de ‘omics’ wetenschappen. Proteomics, de studie van alle eiwitten van een organisme (‘het proteoom’), is één van de bekendste hiervan.

Nieuwe methoden

Gemodificeerde ionenval massaspectrometer (Bruker Amazon) waarin de laserbundel van FELIX in de val gebracht kan worden om IR spectra van de opgeslagen en massa-geselecteerde ionen op te nemen.

Eiwitten zijn opgebouwd als een keten van aminozuurresiduen; uit de twintig natuurlijk voorkomende aminozuren kunnen een schier oneindig aantal eiwitten gevormd worden. Identificatie van eiwitten, dat wil zeggen het achterhalen van de volgorde van aminozuurresiduen, is gebaseerd op dissociatie van het eiwit in een massaspectrometer en analyse van de massa’s van de resulterende fragmenten. Botsingsgeinduceeerde dissociatie (CID) was jarenlang de standaardmethode voor dissociatie , maar tegenwoordig winnen alternatieve methoden, zoals electron geinduceerde dissociatie, snel aan populariteit. Dit is vooral te danken aan de grotere sequence coverage en de mogelijkheid zwakgebonden post-translationele modificaties (PTMs) mee te sequencen. Een populaire methode is electron transfer dissociatie (ETD) waarbij een negatief geladen ion een electron overdraagt aan een meervoudig positief geladen eiwit. De vrijkomende recombinatie-energie leidt tot dissociatie van het eiwit.

Hoewel het op MS gebaseerde sequencen van eiwitten standaardtechnologie is geworden, blijven de chemische mechanismen van de dissociatiereacties nog steeds maar gedeeltelijk begrepen. Voor een fundamenteel begrip van deze reacties is informatie over de moleculaire structuur van de fragmenten van wezenlijk belang. De massa van de fragmenten alleen geeft feitelijk geen informatie over de moleculaire structuur, omdat veel isomere structuren mogelijk zijn. Door gebruik te maken van de vrije-electronenlaser FELIX aan de Radboud Universiteit in Nijmegen is het mogelijk IR spectra op te nemen voor massa-geselecteerde ionen in een massa spectrometer. Uit zo’n IR spectrum kan veel structurele informatie (bijvoorbeeld over isomere, tautomere en zelf conformere structuur) worden herleid. De structuur van fragmenten van ETD reacties heeft lang onder discussie gestaan, met name omdat de reactiechemie sterk verschilt van CID reactiechemie door het radicale karakter (na invangen van een electron) van het eiwit.

Kinetische effecten dominant

De experimenten laten zien dat de gevormde structuren vaak afwijken van de thermodynamisch meest voordelige structuur. Dit benadrukt nogmaals het belang van structurele opheldering van de reactieproducten met behulp van IR ionenspectroscopie en laat zien dat kinetische effecten vaak domineren over thermodynamische in dit soort gasfase reacties. De experimenten laten in het bijzonder zien dat H-atoom migratie – waardoor de positie van het radicaal in het ion verplaatst – vaak niet optreedt na ETD. Een beter begrip van deze reacties is ook van practisch nut omdat H-atoom overdracht tussen dissocierende fragmenten leidt tot massaverschuivingen die de toekenning van MS/MS spectra lastiger maakt. Meer algemeen kan IR ionenspectroscopie zeer nuttig zijn bij het onderscheiden van moleculaire structuren van isobare ionen in op MS gebaseerde analyse van complexe samples.

IRIS voegt een extra dimensie toe aan een massaspectrum: voor geselecteerde pieken uit het massaspectrum is een IR spectrum opgenomen, waaruit de moleculaire structuur van het ion met behulp van quantum-chemische berekeningen herleid kan worden. Het massaspectrum laat de ETD-fragmenten van een korte peptide zien.

Publicatie

Structural identification of electron transfer dissociation products in mass spectrometry using infrared ion spectroscopy
Jonathan Martens, Josipa Grzetic, Giel Berden, Jos Oomens
Nature Communications, 2016, 7, 11754


Bron: Radboud Universiteit Nijmegen