Открывая химическое неизвестное: ученые охотятся за остальными 99 процентами

Автор: Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, 27 августа 2023 г.

Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики разрабатывают новые методы масс-спектрометрии, позволяющие идентифицировать 99% еще не охарактеризованных химических соединений. Объединив два инструмента высокого разрешения, они стремятся раскрыть потенциальные лекарства от болезней, решить проблему изменения климата и выявить новые химические угрозы.

Вселенная наводнена миллиардами возможных химических веществ. Несмотря на арсенал передовых технологий, находящихся в их распоряжении, исследователи определили молекулярный состав лишь незначительной части, возможно, около 1 процента, этих соединений.

Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики нацелились на остальные 99 процентов, создавая новые способы узнать больше об огромном море неизвестных соединений. Могут существовать лекарства от болезней, новые подходы к борьбе с изменением климата или новые химические или биологические угрозы, скрывающиеся в химической вселенной.

Работа является частью инициативы, известной как m/q или «m over q» — сокращение от массы, разделенной на заряд, что означает один из способов, которыми ученые измеряют химические свойства в мире масс-спектрометрии.

«Прямо сейчас мы можем взять образец почвы, где, в зависимости от типа почвы, могут содержаться тысячи химических соединений всего лишь в чайной ложке», — сказал Томас Мец, возглавляющий инициативу m/q. «И мы не знаем, каковы большинство из них с точки зрения химической структуры. Мы просто понятия не имеем, что там».

Для идентификации веществ ученые обычно полагаются на справочные библиотеки, содержащие информацию о тысячах молекул. Исследователи сортируют свои образцы из почвы, тела или чего-либо еще и сравнивают результаты экспериментальных измерений с тем, что находится в библиотеке. Хотя это и полезно, это ограничивает ученых только структурной идентификацией молекул, которые были замечены ранее — например, посредством анализа стандартных соединений, приобретенных у поставщиков химических веществ.

Адам Холлербах с устройством SLIM, созданным в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Фото: Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Ученые m/q нацелены на остальные 99 процентов, которые еще не идентифицированы.

В рамках последней разработки группа под руководством ученого Адама Холлербаха объединила два инструмента высокого разрешения в одну систему для определения размеров молекул с беспрецедентной детализацией. Результаты были опубликованы 12 июня в журнале Analytical Chemistry.

Теперь учёные могут провести несколько важных измерений химических соединений за один эксперимент, получая важную информацию быстрее, удобнее и точнее, чем раньше.

Метод Холлербаха применим к ионам — молекулам, имеющим либо положительный, либо отрицательный заряд. Это облегчает их контроль и возможность обнаружения с помощью масс-спектрометрии.

Как и люди, которые их изучают, ионы имеют множество особенностей, отличающих их друг от друга. У людей вес, цвет волос, размер, форма, цвет глаз и многие другие характеристики помогают нам узнать, кто есть кто. Для ионов идентификационные характеристики включают массу, форму, размер, электрический заряд и химический состав. Они служат не только идентификаторами, но и руководством к поведению связанных молекул — например, подсказкой об их потенциале излечивать болезни или поглощать загрязняющие вещества.

Это понимание должно помочь усилиям десятков ученых из PNNL, которые сосредоточены на понимании влияния микробов на климат. Микробы играют ключевую роль в преобразовании таких элементов, как углерод, в другие формы, важные для планеты. Их влияние на потепление или охлаждение планеты огромно. Но учёным есть чему поучиться.

«Всего в грамме почвы могут быть миллионы микробов, и мы не знаем, кто большинство из них и что они делают. Нам еще предстоит сделать много открытий», — сказал Мец. «С точки зрения бросающего вызов науке это либо худший сценарий, либо одна из наших величайших возможностей, в зависимости от того, как на это смотреть».