质谱新纪元：加州理工的纳米技术突破，单分子质量测量

加州理工学院的科学家们引入了一种革命性的机器学习驱动技术，利用先进的纳米尺度设备精确测量单个粒子的质量。这一方法可能会显著增强我们对蛋白质组的理解，允许以原生形式测量蛋白质的质量，从而为生物过程和疾病机制提供新的见解。

蛋白质对生命至关重要，几乎推动了所有生物过程。了解产生了哪些蛋白质、它们位于何处以及数量多少，可以揭示有关生物体健康的至关重要的信息，提供有关疾病的线索，并提示新的治疗途径。然而，目前的方法还不允许完全表征蛋白质组。
“我们现在谈论的是单分子水平上的质谱分析；能够实时观察整个蛋白质，而不需要将它们切碎，”描述这项新技术的论文作者、加州理工学院物理、应用物理和生物工程教授Michael Roukes说。“如果我们拥有一个足够高通量的单分子技术，以至于我们可以在合理的时间内测量数百万的蛋白质，那么实际上我们就能了解包括人类在内的生物体的完整蛋白质组。”
质谱是科学家用来完成各种分子侦探工作的常用分析工具。从一个神秘的样本开始，将其离子化（即，通过移除一个或多个电子给予它电荷），并将其沿着指定的路径加速。然后使用磁场或电场从侧面给离子一个推动，并观察它们移动了多远。离子越轻、电荷越正，它们将被偏转得越多；这提供了一种测量各种离子的质量和电荷的方法。有了这些信息，研究人员可以尝试解决样本的化学组成。

质谱用于多种目的，包括法医学中微量元素的分析、疾病生物标志物的检测和农药残留的分析。但初始的离子化步骤并不适用于所有样本，特别是可以被该过程改变的生物样本。
当样本变得微小时，事情变得更加复杂——例如，当科学家想要确定单个蛋白质的质量时。在过去的二十年中，随着被称为纳米电子机械系统（NEMS）的复杂纳米尺度设备的发展，进行不需要样本首先被离子化的质谱分析已成为可能。这导致了对小分子质量的实时常规测量。采用这种方法，科学家在解释样本中可能存在的化学物质时不需要做出最佳猜测。然而，该方法排除了某些复杂的NEMS设备被用于质谱分析。
NEMS质谱通常使用一个硅设备来完成，你可以将其想象为一个两端都拴着的微小梁。当梁被击中时，它会像吉他弦一样共鸣，并以不同的频率上下移动，出现不同的模式形状。
如果将样本放置在这样一个梁上，梁的振动模式的个别频率将会改变。“从这些频率变化中，你可以推断出样本的质量，”这项新论文的主要作者、加州理工学院航空航天和应用物理研究教授John Sader说。“但要做到这一点，你需要知道每个模式的形状。这是目前所有这些测量的核心——你需要知道这些设备是如何振动的。”

随着最新的NEMS设备的出现，并不总是能够确定精确的模式形状。那是因为，在纳米尺度上，设备之间的差异或不完美可能会轻微改变模式形状。而且，研究人员为了研究量子领域的基本物理而开发的先进NEMS设备具有极其复杂的三维模式，其频率非常接近。“你不能简单地使用理论和假设这些在测量期间保持不变来计算模式形状及其频率，”Sader说。
进一步的复杂性在于，样本在设备内的精确放置位置会影响梁的频率测量。再次考虑那个简单的梁设备，如果样本放置在靠近其中一个拴着的端点的位置，频率的变化就不会像放置在中心附近那样大，例如，那里的振动幅度可能会更大。但是，对于大约一个微米乘以一个微米大小的设备来说，不可能可视化样本的确切放置位置。
Sader、Roukes和他们的同事们开发了一种他们称之为“指纹纳米电子机械质谱”的新技术，它绕过了这些问题。

按照这种方法，研究人员在超高真空和超低温度下随机将单个粒子放置在NEMS设备上。实时测量几个设备模式的频率如何随着放置而改变。这使他们能够构建一个高维向量，代表那些频率变化，每个模式一个向量维度。通过在各种随机位置放置粒子并重复这样做，他们为设备构建了一个向量库，用于训练机器学习软件。
结果表明，每个向量都是一种指纹。它有一个独特的识别形状或方向，这取决于粒子的着陆位置而独特地改变。
“如果我取一个未知质量的粒子并将其放置在NEMS设备的任何位置——我不知道它落在了哪里；事实上，我并不在乎——并测量振动模式的频率，它将给我一个指向特定方向的向量，”Sader解释说。“然后，如果我将它与数据库中的所有向量进行比较，并找到与之最平行的那一个，那个比较将给我未知粒子的质量。这只是两个向量的大小比率。”
Roukes和Sader表示，这种指纹技术可以与任何设备一起使用。加州理工学院的团队在这项研究中理论上分析了他们的同事、斯坦福物理学家Amir Safavi-Naeni实验室开发的声子晶体NEMS设备。这些先进的NEMS设备有效地捕获振动，以便在某些频率下它们可以持续“响”很长时间，给研究人员提供了大量的时间来收集高质量的测量数据。指纹方法使得这些最先进的设备能够进行质谱测量。在准备中，团队使用了其他设备来校准他们的指纹方法。这包括测量单个GroEL分子的质量，GroEL是一种分子伴侣蛋白，有助于细胞内蛋白质的正确折叠。
Roukes指出，对于大型蛋白质复合物和膜蛋白如GroEL，标准质谱方法由于几个原因而存在问题。首先，这些方法提供了总质量和电荷，而这些测量并不能唯一地识别一个物种。对于如此大的复合物，将有许多可能的候选物。“你需要以某种方式消除歧义，”Roukes说。“目前消除歧义的杰出方法是将拼图切碎成3到20个氨基酸长的片段。”然后，他说，你会使用模式识别从所有子片段中识别母分子。“但你不再拥有原始东西的配置或构象的唯一标识符，因为你在切碎它的过程中摧毁了它。”
Roukes指出，新的指纹技术，“正朝着一种称为原生单分子质谱的替代方案前进，你可以看到大型蛋白质和蛋白质复合物，一个接一个地，以它们的原生形式，而不需要将它们切碎。”
这项在质谱领域的突破为生物医学研究和疾病诊断提供了一个强大的新工具。随着对蛋白质组的深入理解，我们有望在未来看到更多针对复杂疾病的新疗法和治疗方法。我们邀请您在评论区分享您对这项技术的看法，以及它可能对医学研究和治疗领域带来的影响。

参考资料：DOI： 10.1038/s41467-024-51733-8