Characterizing Macromolecular Dipole Moments via Differential Ion Mobility Spectrometry with Linked Field/Pressure Scans

Význam tématu

V differential ion mobility spectrometry (FAIMS) se díky vysokému elektrickému poli mohou u velkých biomolekul detekovat permanentní dipólové momenty, které odrážejí jejich sekundární a terciární strukturu. Analýza těchto momentů umožňuje doplnit klasická měření kolizních průřezů o informaci o směrovém chování molekuly v plynném stavu.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a demonstrovat postup propojených skenů disperzního pole a tlaku za konstantního poměru E/N, aby bylo možné oddělit efekty dipólové orientace od ostatních vysokopolních jevů ve FAIMS. Pro ověření přístupu byly analyzovány dva proteiny: bovinní sérové albumin (BSA, 66,5 kDa) a β-galaktosidáza (βGal, 105 kDa).

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorky připravené v 50:49:1 metanol/voda/kyselina mravenčí, vstřik ESI 9 µL/min.
• Analytika prováděna na modifikovaném LCMS-8060 s vDMS buňkou umístěnou mezi desolvací (DL) a kvadrupóry (Q1/Q2).
• FAIMS parametry: obdélníkový vlnový průběh 200 kHz, poměr délek pulsu 2,5; tlak N₂ v buňce řízen 35–245 mbar při 80 °C.
• Linked skeny spočívající v udržení konstantního poměru ED/N při simultánní změně disperzního napětí a tlaku plynu.

Hlavní výsledky a diskuse

• Při nižších tlacích FAIMS spektra vykazují jednoduché Gaussovské rozdělení, které se se stoupajícím tlakem rozvíjejí na nízkofrekvenční straně a indikují rostoucí podíl orientovaných dipólů.
• U BSA se průměrný dipólový moment zvyšuje s nábojem a pro z~40–50 je pozorován skok spojený s unfoldingem, obdobně jako u lineárního IMS rostou kolizní průřezy s nabitím.
• U βGal byly zjištěny výraznější projevy orientace dipólů již při nižších tlacích a u vyšších stavů nabití, což odpovídá vyššímu dipólovému momentu a delší molekulární struktuře.
• Směrové kolizní průřezy potvrzují teoretický předpoklad, že silné dipóly se v poli orientují podél hlavní osy molekuly, čímž se snižuje kolizní průřez v kolmém směru vůči průměrnému CCS.

Přínosy a praktické využití metody

• Přímé stanovení velikosti dipólových momentů a jejich rozdělení v populaci konformerů makromolekul.
• Doplňková charakterizace konformačních přechodů a unfoldingu proteinů nad rámec standardních IMS měření.
• Možnost monitorování stability proteinových vzorků a kvality biochemických preparátů v reálném čase.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření aplikace na další biomakromolekuly, nativní komplexy a polymerní systémy.
• Kombinace s vysoce rozlišenou hmotnostní spektrometrií a kolizními technikami pro detailní strukturální analýzu.
• Využití ve farmaceutickém vývoji, proteomice a diagnostice k monitorování konformace a interakcí biomolekul.

Závěr

Propojené skeny elektrického pole a tlaku ve FAIMS poskytují robustní přístup k extrakci dipólových momentů a směrových kolizních průřezů velkých proteinů. Metoda ukazuje přímou vazbu mezi stavem nabití, strukturou a dipólovým momentem a otevírá nové možnosti pro studium biomolekulárních konformací.

Reference

1. A. A. Shvartsburg, T. Bryskiewiecz, R. W. Purves, K. Tang, R. Guevremont, R. D. Smith. Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry Studies of Proteins: Dipole Alignment in Ion Mobility Spectrometry? J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21966.
2. A. A. Shvartsburg, S. Y. Noskov, R. W. Purves, R. D. Smith. Pendular Proteins in Gases and New Avenues for Characterization of Macromolecules by Ion Mobility Spectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 6495.
3. A. A. Shvartsburg, R. Andrzejewski, A. Entwistle, R. Giles. Ion Mobility Spectrometry of Macromolecules with Dipole Alignment Switchable by Varying the Gas Pressure. Anal. Chem. 2019, 91, 8176.