一种利用数据分析的新技术，称为指纹质谱，为使用纳米级设备测量单个蛋白质的质量提供了一种方法。
加州理工学院的科学家们开发了一种基于机器学习的方法，使得能够借助复杂的纳米级设备精确测量单个粒子和分子的质量。这种创新方法扩大了可用于质量测量的设备范围，帮助进行蛋白质鉴定，并可能为完整的蛋白组——任何生物体中的蛋白质总集合——提供洞察。
蛋白质是活生物体的驱动力。关于哪些蛋白质被生产、它们的位置和数量的洞察，可以揭示生物体健康的重要信息，在疾病诊断过程中提供线索，提出可能的治疗策略。然而，研究人员仍然缺乏全面的方法来表征整个蛋白组。
“我们讨论的是个体分子层面的质谱；这使我们能够实时观察完整的蛋白质，而无需将其碎片化，”加州理工学院物理学、应用物理学和生物工程的Frank J. Roshek教授、论文《自然通讯》中这一新技术的作者之一Michael Roukes解释道。“通过高通量的单分子技术，我们可以在合理的时间框架内测量数百万种蛋白质，从而深入理解生物体的完整蛋白组，包括人类的蛋白组。”
质谱是一种广泛使用的分析技术，科学家们用于各种类型的分子研究。该过程始于样品，样品被电离（通过去除电子使其带电）并沿指定路径推进。通过施加磁场或电场推动离子并观察其偏转，研究人员可以确定它们的质量和电荷。这些数据可以用来解码样品的化学成分。
这种技术用于各种应用，包括法医痕迹分析、疾病生物标志物检测和农药残留检查。然而，初始电离过程可能并不适合所有样品，尤其是生物样品，这些样品在电离过程中可能会被改变。
当处理微小样本时，比如单个蛋白质，复杂性随之而来。过去二十年来，纳米机电系统（NEMS）的最新进展使得一种不需要样品电离的质谱方式得以实现。这一发展使得小分子的实时质量测量变得常规。因此，科学家们现在可以在不依赖有根据的猜测的情况下解释样品中的化学成分。然而，这种方法排除了某些复杂的NEMS设备在质谱中的应用。
在传统的NEMS质谱中，类似于微小梁的硅元素两端固定，当受到撞击时会共振，类似于吉他弦，在不同频率震荡具有特定模态。
当样品添加到该梁上时，梁的振动模式频率会改变。“通过跟踪这些频率变化，我们可以推测样品的质量，”加州理工学院航天和应用物理学的研究教授、此次研究的主要作者John Sader表示。“然而，要确定这一点，了解每个模式的形状是至关重要的，这对所有当前的测量都是关键。”
使用最新的NEMS设备，准确确定精确的模式形状可能会由于纳米级的变化或不完美而变得具有挑战性，这些变化可能会稍微改变模式形状。此外，研究人员创造的先进NEMS设备旨在探测量子世界的基础物理，展现出高度复杂的三维模式，这些模式在频率上密切交织。“你不能仅仅在理论上计算模式形状和它们的频率，并期望它们在测量过程中保持不变，”Sader解释道。
此外，样品在设备中的确切放置点会影响梁的频率读数。例如，如果样品放置在梁的一端附近，频率偏移将相对较小，而放置在靠近中心的位置时，振动幅度通常更大。然而，随着设备测量约一微米乘一微米，精确视觉化样品的放置位置变得不切实际。
指纹揭示位置并确定质量
Sader、Roukes及其团队推出了一种称为“指纹纳米机电质谱”的新方法，解决了这些挑战。
根据这一技术，研究人员在超高真空和超低温状态下随机将单个粒子放置于NEMS设备上。他们监测与该放置位置相关的多个设备模式频率的实时变化。这使他们能够创建一个高维向量，反映这些频率变化，每个维度代表一个模式。通过在多个随机位置重复这一过程，他们建立了一个向量库来训练机器学习算法。
有趣的是，每个向量就像一个指纹，具有独特的形状或方向，根据粒子位置的不同而明显改变。
“当我在NEMS设备上的任何地方放置一个未知质量的粒子时——无论其位置如何——并测量振动模式频率，我会得到一个指向特定方向的向量，”Sader澄清道。“通过将其与数据库中的向量进行比较并识别与之最平行的向量，我可以确定未知粒子的质量。这仅仅是两个向量大小的比值。”
Roukes和Sader相信，这种指纹方法可以应用于所有设备。在本研究中，Caltech团队理论性地考察了其同事、斯坦福物理学家Amir Safavi-Naeni实验室中创建的声子晶体NEMS设备。这些创新的NEMS设备在捕捉振动方面高效，能够在特定频率下持续共振，使研究人员能够获得高质量的测量。这种指纹方法使得这些尖端设备的质谱测量成为可能。为了验证，该团队测量了个体GroEL蛋白颗粒的质量，该蛋白以帮助细胞中合适的蛋白折叠而闻名。
Roukes指出，传统的质谱方法对于大型蛋白质复合物和像GroEL这样的膜蛋白面临多个挑战。首先，这些技术所提供的总质量和电荷并不能唯一识别特定种类。考虑到这些复合物的大小，许多候选者可能适用。“你需要以某种方式区分这些，”Roukes指出。“目前，主要方法是将分子碎片毁坏成长度在3到20个氨基酸之间的片段。”这个过程之后再利用模式识别从碎片中追溯到原始分子。“然而，这种方法不再保留原始结构的唯一标识符，因为在碎片化过程中其被摧毁。”
Roukes强调，这种新的指纹方法“正朝着一种名为原位单分子质谱的替代方案迈进，在这种情况下，大型蛋白质和复合物可以以其自然形式逐一进行分析，而不需要任何碎片化。”
