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Die vollständige chemische Charakterisierung von Biomolekülen ist der Schlüssel zum Verständnis ihrer zugrunde liegenden biologischen und funktionellen Eigenschaften. Zu diesem Zweck haben sich in den letzten Jahren "Omics"-Wissenschaften entwickelt, die auf die großflächige Charakterisierung chemischer Strukturen in biologischen Konzentrationen abzielen. In der Proteomik und Metabolomik ist MS zu einem Kerninstrument geworden, um die strukturelle Heterogenität in biologischen Medien zu entschlüsseln - insbesondere dank ihrer Empfindlichkeit und Fähigkeit, strukturelle Informationen durch Tandem-MS (MS/MS) bereitzustellen. In MS / MS-Strategien wird ein Ion entsprechend seiner Masse ausgewählt, dann fragmentiert und schließlich werden die Massen seiner Fragmente erfasst, um einen Fingerabdruck des Moleküls zu erstellen. MS/MS-Spektren können insbesondere verwendet werden, um Spektraldatenbanken1,2 abzugleichen oder die übergeordneten Strukturen vorläufig zu rekonstruieren3,4. Unter der Annahme, dass ähnliche Spektren zu ähnlichen Verbindungen gehören, können MS/MS-Daten auch verwendet werden, um molekulare Netzwerke (MNs) aufzubauen, die verwandte Spezies durch einen Ähnlichkeitswert verbinden5,6.
Aufgrund der inhärenten Eigenschaft von MS, das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) von Ionen zu erkennen, ist die Technik jedoch blind für eine Reihe von strukturellen Merkmalen, die in den Bereich der (Stereo-)Isomerie fallen. Zum Beispiel bestehen Kohlenhydrate aus mehreren Monosaccharid-Untereinheiten, von denen viele Stereoisomere oder sogar Epimere sind (z. B. Glc vs. Gal oder Glc vs. Man). Diese Untereinheiten sind durch glykosidische Bindungen verbunden, die sich durch die Position der Verknüpfung (Regioisomerie) und die sterische Konfiguration des anomeren Kohlenstoffs (Anomere) unterscheiden können. Diese Eigenschaften erschweren es für eigenständige MS, zwischen Kohlenhydratisomeren zu unterscheiden7, und nur die Regioisomerie kann mit hochenergetischen Aktivierungsmethoden behandelt werden8,9,10. Obwohl die Derivatisierung eine Option ist, um die Äquivalenz stereoisomerer Gruppen zu stören11, erfordert sie eine umfangreiche Probenvorbereitung. Eine weitere, einfachere Option besteht darin, MS mit einer analytischen Dimension zu koppeln, die empfindlich auf Isomerie reagiert, wie z. B. IMS.
Da dieses Protokoll für Benutzer gedacht ist, die bereits mit den grundlegenden Konzepten von IMS vertraut sind, und weil detaillierte Überprüfungen an anderer Stelle verfügbar sind12,13, wird hier nur ein kurzer Überblick über die Prinzipien von IMS gegeben. IMS ist ein Gasphasen-Trennverfahren, das auf der Wechselwirkung von Ionen mit einem Puffergas und einem elektrischen Feld beruht und letztendlich Ionen gemäß ihren Gasphasenkonformationen trennt. Verschiedene Prinzipien von IMS, die an MS gekoppelt sind, finden sich auf kommerziellen Instrumenten: Einige arbeiten bei abwechselnd hohen und niedrigen elektrischen Feldern (feldasymmetrisches IMS, FAIMS), während die meisten innerhalb der niedrigen Feldgrenze arbeiten - insbesondere Driftröhren-IMS (DTIMS, linear abnehmendes elektrisches Feld), Wanderwellen-IMS (TWIMS, symmetrische Potentialwellen) und gefangenes IMS (TIMS, hoher Durchfluss von Puffergas-Einfangionen gegen elektrische Felder)13 . Die Low-Field-Verfahren ermöglichen den Zugang zu einem sogenannten CCS, einer Eigenschaft des Ion-Gas-Paares, die die Oberfläche (in Å2 oder nm2) des Ions darstellt, das während der Trennung mit dem Puffergas interagiert. CCS ist theoretisch instrumentenunabhängig und somit nützlich, um Daten zu generieren, die zwischen verschiedenen Labors reproduziert werden können14. Ionenmobilitätstrennungen können durch verschiedene Parameter und insbesondere durch Schwankungen des Gasdrucks und der Gastemperatur in der Mobilitätszelle beeinflusst werden. Die CCS-Kalibrierung ist eine Möglichkeit, hier Abhilfe zu schaffen, da sowohl das Kalibrant als auch die interessierende Spezies in ähnlicher Weise betroffen sein werden13. Es ist jedoch zwingend erforderlich, das Gerät in einem temperaturgeführten Raum zu installieren und über ein zuverlässiges Gasdruckregelsystem zu verfügen.
Eine interessante Weiterentwicklung von IMS ist IMS/IMS, das erstmals 2006 von Clemmers Gruppe als Analogon zu MS/MS15,16 eingeführt wurde. In IMS/IMS wird ein Ion von Interesse selektiv aufgrund seiner Ionenmobilität isoliert; es wird dann aktiviert (bis zur möglichen Fragmentierung), und eine neue IMS-Analyse des aktivierten Ions oder der aktivierten Fragmente wird durchgeführt. Im ersten Instrumententwurf wurden zwei IMS-Zellen in Reihe geschaltet, getrennt durch einen Ionentrichter, in dem die Aktivierung stand. Obwohl seitdem eine Reihe von IMS/IMS-Setups vorgeschlagen wurden (für eine Überprüfung siehe Eldrid und Thalassinos17), wurde das erste kommerzielle Massenspektrometer mit IMS/IMS-Fähigkeit erst 201918 verfügbar. Dieses Instrument verbesserte das ursprüngliche Konzept erheblich, indem es mit einem anderen technologischen Durchbruch kombiniert wurde: einem zyklischen Design der IMS-Zelle.
Die zyklische IMS-Zelle erlaubt es theoretisch, die Driftweglänge und damit das Auflösungsvermögen des Instruments19 nahezu unendlich zu erhöhen. Dies wurde durch eine spezielle Instrumentengeometrie erreicht, bei der die zyklische TWIMS-Zelle orthogonal zur optischen Hauptachse der Ionen platziert wird. Ein Multifunktions-Array-Bereich am Eingang der IMS-Zelle ermöglicht die Steuerung der Richtung des Ionenpfads: (i) Senden von Ionen seitwärts für die IMS-Trennung, (ii) vorwärts für die MS-Detektion oder (iii) rückwärts von der IMS-Zelle, die in einer Prearray-Zelle gespeichert werden soll. Von dieser Prearray-Speicherzelle aus können die Ionen aktiviert und die Fragmente in die IMS-Zelle zur Messung der Ionenmobilität reinjiziert werden, ein Ansatz, der erfolgreich zur Charakterisierung von Stereoisomeren verwendet wurde20. Letztendlich enthalten die gesammelten Daten Ionenmobilität und m/z-Informationen für den Vorläufer und seine Fragmente.
In einer kürzlich erschienenen Publikation, die dieses zyklische Design für Glykananalysen verwendete (Ollivier et al.21), zeigten wir, dass das Mobilitätsprofil der in solchen IMS / IMS-Daten enthaltenen Fragmente als Fingerabdruck eines Biomoleküls fungiert, das in einer molekularen Netzwerkstrategie verwendet werden kann. Das daraus resultierende Netzwerk, IM-MN genannt, führte zur strukturell relevanten Organisation von Glykomik-Datensätzen, während das ausschließlich aus MS/MS-Daten (MS-MN) aufgebaute Netzwerk wenig Informationen preisgab. Um diese Veröffentlichung zu ergänzen und Cyclic IMS-Benutzern bei der Implementierung dieses Workflows zu helfen, enthält dieses Protokoll eine vollständige Beschreibung des Protokolls, das zum Sammeln der Daten verwendet wird. Dieses Protokoll konzentriert sich nur auf die Generierung der IMS/IMS-Daten, die Benutzer dann zum Aufbau von IM-MN-Netzwerken (siehe 21) oder für eine andere Anwendung ihrer Wahl verwenden können. Der Aufbau von IM-MN wird hierin nicht berücksichtigt, da Protokolle für die molekulare Vernetzung bereits verfügbar sind22. Die entscheidenden Punkte, die befolgt werden müssen, um wertvolle und reproduzierbare IMS/IMS-Akquisitionen zu generieren, werden hervorgehoben. Am Beispiel eines der von Ollivier et al. untersuchten Oligosaccharide 21 werden die folgenden Schritte detailliert beschrieben: (i) Probenvorbereitung, (ii) Abstimmung des zyklischen IMS-Instruments, (iii) automatisierte Peak-Picking der Daten und (iv) CCS-Kalibrierung.