Revelando la sustancia química desconocida: los científicos están a la caza del otro 99 por ciento

Por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico27 de agosto de 2023

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía están desarrollando nuevas técnicas de espectrometría de masas para identificar el 99% de los compuestos químicos que aún no se han caracterizado. Combinando dos instrumentos de alta resolución, su objetivo es desbloquear posibles curas para enfermedades, abordar el cambio climático e identificar nuevas amenazas químicas.

El universo está inundado de miles de millones de posibles sustancias químicas. A pesar del arsenal de tecnología avanzada a su disposición, los investigadores sólo han identificado la composición molecular de una porción minúscula, quizás alrededor del 1 por ciento, de estos compuestos.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía están apuntando al otro 99 por ciento, creando nuevas formas de aprender más sobre un vasto mar de compuestos desconocidos. Puede haber curas para enfermedades, nuevos enfoques para abordar el cambio climático o nuevas amenazas químicas o biológicas acechando en el universo químico.

El trabajo es parte de una iniciativa conocida como m/q o “m sobre q”, abreviatura de masa dividida por carga, que representa una de las formas en que los científicos miden las propiedades químicas en el mundo de la espectrometría de masas.

"Ahora mismo podemos tomar una muestra del suelo, donde, dependiendo del tipo de suelo, puede haber miles de compuestos químicos en sólo una cucharadita", dijo Thomas Metz, que dirige la Iniciativa m/q. “Y no sabemos qué son la mayoría de ellos en términos de sus estructuras químicas. Simplemente no tenemos idea de lo que hay allí”.

Los científicos suelen confiar en bibliotecas de referencia que contienen información sobre miles de moléculas para identificar sustancias. Los investigadores clasifican sus muestras del suelo, del cuerpo o de otros lugares y comparan lo que han medido experimentalmente con lo que hay en la biblioteca. Si bien esto es útil, limita a los científicos a identificar sólo estructuralmente moléculas que se han visto antes, por ejemplo, mediante el análisis de compuestos estándar comprados a proveedores de productos químicos.

Adam Hollerbach con un dispositivo SLIM creado en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. Crédito: Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

m/q los científicos están apuntando al otro 99 por ciento que aún no ha sido identificado.

En el último desarrollo, un equipo dirigido por el científico Adam Hollerbach ha combinado dos instrumentos de alta resolución en un solo sistema para evaluar moléculas con un detalle sin precedentes. Los resultados fueron publicados en línea el 12 de junio en la revista Analytical Chemistry.

Ahora, los científicos pueden realizar varias mediciones importantes sobre compuestos químicos en un solo experimento, obteniendo información importante de manera más rápida, conveniente y precisa que antes.

La técnica de Hollerbach se aplica a iones (moléculas que tienen carga positiva o negativa). Eso los hace más fáciles de controlar y posibles de detectar mediante espectrometría de masas.

Al igual que las personas que los estudian, los iones tienen muchas características que los distinguen unos de otros. En las personas, el peso, el color de pelo, el tamaño, la forma, el color de ojos y muchas otras características nos ayudan a saber quién es quién. Para los iones, las características de identificación incluyen masa, forma, tamaño, carga eléctrica y composición química. Estos no sólo sirven como identificadores sino también como guías para el comportamiento de las moléculas asociadas: pistas sobre su potencial para curar enfermedades o absorber contaminantes, por ejemplo.

Esa comprensión debería ayudar a los esfuerzos de decenas de científicos del PNNL que se centran en comprender el efecto de los microbios en el clima. Los microbios desempeñan un papel clave en la transformación de elementos como el carbono en otras formas que son importantes para el planeta. Su impacto en el calentamiento o enfriamiento del planeta es poderoso. Pero los científicos tienen mucho que aprender.

“Puede haber millones de microbios en sólo un gramo de suelo, y no sabemos quiénes son la mayoría de ellos ni qué hacen. Aún quedan muchos descubrimientos por hacer”, afirmó Metz. "Desde el punto de vista de desafiar a la ciencia, es el peor de los casos o una de nuestras mayores oportunidades, dependiendo de cómo se mire".

m/q los científicos están aprovechando la oportunidad. En lugar de enmarcar sus preguntas dentro del número relativamente pequeño de compuestos que se pueden identificar en mediciones de espectrometría de masas convencional, están tratando de superar las limitaciones actuales y crear una forma completamente nueva de identificar lo que hoy se desconoce. Es un poco como cuando se despliega un nuevo telescopio y revela varias estrellas distintas donde antes solo era visible una mezcolanza borrosa de cuerpos celestes.

El trabajo es experimental y pone a prueba las moléculas en el laboratorio y en computadoras, donde los científicos modelan lo que ven y predicen lo que probablemente verán.

En los experimentos descritos en el artículo de Analytical Chemistry, Hollerbach y sus colegas realizaron mediciones sensibles de péptidos y lípidos. Los experimentos combinaron dos instrumentos con nombres similares pero que proporcionaban detalles diferentes sobre los iones. Ambos se utilizan en espectrometría de masas, un campo cuya historia está entrelazada con los descubrimientos de los científicos del PNNL.

El primer instrumento es un espectrómetro de masas, que mide la masa de un ion, su carga eléctrica y cómo se rompe el ion. En este estudio, el equipo utilizó un Orbitrap desarrollado por Thermo-Fisher Scientific. Estos instrumentos clasifican bien moléculas de diferentes masas, pero dos moléculas con la misma masa son difíciles de separar. Piense en dos personas, cada una de las cuales pesa 180 libras: una es alta y delgada, mientras que la otra es baja y fornida. Sólo en una escala, sería imposible separarlos.

El segundo instrumento se conoce como SLIM: estructuras para manipulaciones de iones sin pérdidas. SLIM, creado por el científico del PNNL Richard D. Smith y sus colegas, es un espectrómetro de movilidad de iones que mide el tamaño y la carga eléctrica de un ion.

SLIM, que tiene aproximadamente el tamaño de una computadora portátil y tiene solo un cuarto de pulgada de grosor, es un invernadero de actividad molecular. Docenas de caminos largos y sinuosos transforman el pequeño dispositivo en una pista de carreras molecular de 42 pies de largo, con iones estrechamente controlados por campos eléctricos que corren alrededor de una pista de obstáculos ovalada.

Los “obstáculos” son otras moléculas conocidas, como las de helio o nitrógeno. A medida que los iones en estudio corren a través del dispositivo SLIM, navegan alrededor o a través de las otras moléculas, dando vueltas y desviándose de manera muy similar a como un corredor de fútbol corre a través de los bloqueadores contrarios. El término “espectrometría de movilidad iónica” realmente capta la acción.

Al registrar cuánto tiempo les toma a los iones completar el recorrido (con qué destreza navegan por los iones bloqueadores), los científicos aprenden todo tipo de cosas sobre la forma y el tamaño de los iones. Esa información, que no está disponible en un instrumento de espectrometría de masas estándar, se combina con datos sobre la masa, la carga eléctrica y el patrón de fragmentación del ion. En conjunto, los datos arrojan la sección transversal de colisión del ion, su fórmula molecular y su patrón de fragmentación, propiedades que son fundamentales para comprender la estructura de una molécula.

“Dos moléculas diferentes pueden tener el mismo número de átomos y la misma masa y carga, pero podrían tener estructuras y actividades muy diferentes. Ahí es donde SLIM entra en juego para marcar la diferencia”, afirmó Hollerbach. "Sólo un pequeño cambio puede significar la diferencia entre una molécula que es indicativa de una enfermedad y otra que no lo es".

La clave del experimento de Hollerbach fue lograr que los dos instrumentos diferentes tocaran bien juntos. Si bien tanto la espectrometría de masas estándar como la espectrometría de movilidad iónica analizan iones, funcionan en diferentes escalas de tiempo. Los iones hacen su viaje a través de SLIM y llegan al Orbitrap más rápido de lo que pueden procesarse.

Así que Hollerbach recurrió a una vieja técnica, implementando una “inyección de iones de doble puerta”. Añadió puertas para controlar la entrada de iones en el sistema y controlar su llegada al Orbitrap, eligiendo enviar algunos de los iones de SLIM al olvido para mantener el flujo a un ritmo manejable.

"En realidad, las preguntas que hacemos son muy sencillas", afirmó Hollerbach. “¿Qué es esto y cuánto hay? Pero las técnicas que utilizamos son complejas”.

Other m/q scientists are working on additional ways to identify or exploit unknown molecules. Some are creating ways to use data like that from Hollerbach’s experiment to predict an ion’s structure automatically, so drug makers and other scientists would know exactly what they’re working with. Others are scouting out the millions of possibilities for forms of compounds such as fentanylFentanyl is a synthetic opioid drug that is similar to morphine but is 50 to 100 times more potent. It is used to treat severe pain, such as pain from cancer or surgery, and is typically administered via injection or transdermal patch. Fentanyl can also be used recreationally, and its use has been linked to a significant increase in opioid overdose deaths in recent years. Due to its high potency, fentanyl can be dangerous even in small doses, and its use should be closely monitored by a healthcare provider." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> fentanilo, separando lo que es improbable de lo que podría aparecer en la calle algún día. Luego predicen cómo se comportarían esos compuestos dentro de un espectrómetro de masas, creando una manera de identificarlos si aparecen y cuándo.

Referencia: “Una plataforma de espectrometría de masas Orbitrap de movilidad de iones con estructuras de doble puerta para manipulación de iones sin pérdidas para análisis molecular combinado de resolución ultraalta” por Adam L. Hollerbach, Yehia M. Ibrahim, Vanessa Meras, Randolph V. Norheim, Adam P Huntley, Gordon A. Anderson, Thomas O. Metz, Robert G. Ewing y Richard D. Smith, 12 de junio de 2023, Analytical Chemistry.DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00881

El trabajo descrito en el artículo de Analytical Chemistry fue financiado por la Iniciativa m/q del PNNL. Las mediciones de espectrometría de masas se realizaron en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL.

Además de Hollerbach y Metz, los autores del artículo de PNNL son Yehia M. Ibrahim, Vanessa Meras, Randolph V. Norheim, Adam P. Huntley, Robert G. Ewing y Richard D. Smith. También contribuyó Gordon Anderson, anteriormente de PNNL, de GAA Custom Engineering LLC en Benton City.