Forskere fanger molekylære kort over dyrevæv med hidtil usete detaljer

Vi har alle hørt, og set, hvordan et billede tegner tusind ord. Nu, i en videnskabelig drejning af det ordsprog, forskere ved Florida State University-hovedkvarteret National High Magnetic Field Laboratory (National MagLab), skaber billeder, der maler tusindvis af molekyler.

Ved at bruge et enestående kraftfuldt instrument, forskerne har forfinet en teknik kaldet massespektrometrisk billeddannelse (MSI), der omsætter datamasser til detaljerede billeder af den molekylære sammensætning af biologiske prøver. Deres arbejde, udgivet i denne uge i Analytisk kemi , indeholder billeder med så høj masseopløsning, at hver farve i billedet repræsenterer en særskilt form for molekyle.

MSI er ikke nyt. Årevis, videnskabsmænd har brugt teknikken til at konvertere massespektrometriske analyser af en prøves kemiske sammensætning til rumlige repræsentationer, der viser, hvilke molekyler der forekommer hvor.

Hvad er anderledes nu, forklarede National MagLab kemiker Don Smith, tilsvarende forfatter på undersøgelsen, er bredden og dybden af ​​data genereret med laboratoriets verdensrekord 21-tesla ion cyclotron resonance (ICR) massespektrometer, kaldet "21-T" for kort. Tesla er en enhed for magnetisk feltstyrke; en køleskabsmagnet har et felt på omkring 0,01 tesla, og en typisk hospitals-MR-magnet har et felt på 2 eller 3 tesla.

21-T gør det muligt for massespektrometribilleder at blive ultrahøj opløsning, med mange flere pixels, der udgør billedet.

"Jeg kan godt lide at tænke på dette som den mest information pr. pixel - hvor meget kemisk information vi kan få fra hver pixel på en given tid, " sagde Smith. "Vi observerer nye molekyler, der aldrig er blevet observeret, aldrig været masseopløst i væv før."

Sidste år, Smith slog sig sammen med Ron Heeren fra Maastricht MultiModal Molecular Imaging Institute ved Maastricht University i Holland. Med deres team, forskerne kørte en måneds eksperimenter i 21-T, undersøger hjernevæv fra raske rotter. I hvert 24-timers eksperiment, de fokuserede på specifikke biomolekyler. I de to undersøgte datasæt for Analytisk kemi artikel, holdet ledte efter visse lipider, en klasse af biomolekyler, der udfører kritiske funktioner i kroppen, herunder i cellemembraner.

Massespektrometre er fancy molekylære skalaer, der bruger en stærk magnet til at identificere hvert molekyle i et stof ved dets unikke masse. Molekylerne skal først have en positiv eller negativ ladning (ioniseret), så magneten kan detektere dem. Holdet brugte en teknik kaldet matrix-assisteret laser desorption ionization (eller MALDI), brugt for første gang på 21-T til dette projekt med et specielt instrument sendt fra Maastricht til Tallahassee. Med denne opsætning, de var i stand til metodisk at fordampe, ioniser og mål et hårs bredde af væv ad gangen, hver indeholder tusindvis af molekyler. På denne måde lidt efter lidt, de samlede målinger, som speciel software konverterede til et MRI-lignende kort over molekylernes rumlige fordeling.

"Det virkede med det samme, " sagde Smith om eksperimenterne. "Det var en meget behagelig overraskelse."

21-T, erhvervet af National MagLab i 2014 med finansiering fra National Science Foundation's Division of Chemistry, viste sig at være en utrolig følsom skala. Smith bemærkede, at videnskabsmænd var i stand til at adskille to molekyler med en forskel i molekylvægt på omkring tre elektroner - omkring 0,00179 dalton (enheden for molekylær masse) eller bare en lille brøkdel af vægten af ​​et vandmolekyle.

"Dette er grunden til, at vi kommer til MagLab, " sagde Heeren, "at skubbe billeddannelsesgrænser og se molekylære detaljer, der ellers ville forblive skjulte."

21-T har vist sig at være et bemærkelsesværdigt alsidigt instrument, sagde Chris Hendrickson, direktør for laboratoriets ICR-facilitet og en medforfatter på papiret.

"De eksperimenter, det har muliggjort, har kørt spektret fra medicinsk biologi til nye miljøforurenende stoffer, " han sagde.

Smith sagde, at denne teknik kunne blive et stærkt værktøj til sundhedsforskning. I øjeblikket bruges 21-T rutinemæssigt til at undersøge den molekylære sammensætning af, blandt andre typer prøver, komplekse proteiner. Fremtidige MALDI-eksperimenter kan ikke blot afsløre, hvilke molekyler der er derinde, men præcis hvor i en vævsprøve hver er placeret.

Kræftforskere kunne bruge teknikken til at undersøge, på det molekylære plan, præcis hvor og hvordan et lægemiddel rejser gennem sygt væv; en anden videnskabsmand kunne studere, hvordan en organisme reagerer på eksponering for et forurenende stof. Forskere kan endda være i stand til at sammenligne eksempler på den samme slags celler med hinanden for at opdage subtile molekylære forskelle.

Hvad angår Smith, han og hans team har arbejdet for dem, med masser af data, der venter på analyse.

"Vi prøvede stort set lidt af hvert, " sagde Smith om sidste års eksperimenter.

Det er to datasæt, 26 tilbage.

Ud over Smith, Heeren og Hendrickson, bidragydere til artiklen omfattede Andrew Bowman (førsteforfatter) og Shane Ellis fra Maastricht University og National MagLab videnskabsmand Greg Blakney. MALDI-instrumenteringen, der blev brugt til eksperimenterne, blev gjort tilgængelig med støtte fra den hollandske provins Limburg.