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2026-03-26 01:32:00
質量分析法は、科学者がサンプル中にどのような分子が存在し、それぞれの分子がどれくらい存在するかを判断するのに役立つ広く使用されている技術です。しかし、現在の機器のほとんどは、分子を一度に 1 つずつ、または非常に小さなグループごとに検査します。このアプローチは時間がかかり、高価であり、豊富な分子の中に隠れて稀ではあるが重要な分子を見逃してしまう可能性があります。
この技術のより高度なバージョンにより、最終的には研究者が単一細胞の完全な分子構成を捕捉し、数千の化学反応を同時に監視し、創薬などのプロセスをスピードアップできるようになる可能性がある。
新しい研究は、その目標に向けた初期段階について説明しています。研究者らは、同時に多数の分子を処理できる MultiQ-IT と呼ばれるプロトタイプを開発しました。この研究は、より高速で高感度の機器を構築するためのフレームワークを提供し、ゲノミクスやコンピューティングで見られる変革と同様の変化を可能にする可能性があります。
「DNA 配列決定に革命をもたらしたのは、基礎となる化学の変化ではありません。それは基本的に変わっていません」と、ロックフェラーの質量分析およびガスイオン化学研究室のブライアン T. チャイトは言います。 「これは、非常に多くの化学反応を並行して実行できる能力のおかげで、ゲノム解読が数十億ドルの取り組みから約100ドルの費用でできるようになりました。GPUを使用したコンピューティングでも同じことが起こりました。そして、それが私たちが質量分析でやろうとしていることです。」
現代の質量分析におけるボトルネック
質量分析法の歴史は 1913 年頃にまで遡り、生物学において最も重要な分析法の 1 つになりました。これは、分子をイオン化すること、つまり分子に電荷を与え、質量電荷比を測定して分子を識別および定量化することによって機能します。その機能にもかかわらず、ほとんどのシステムは依然として順次動作し、一度に 1 種類または数種類のイオンのみを分析します。これにより、複雑な生体サンプル中の希少分子を検出する能力が制限されます。
「これは素晴らしい技術です。これを使用すると、想像を絶する素晴らしい分析的なことができます」と Chait 氏は言います。 「しかし、私はいつもその限界に少し不満を感じていました。もっと良くなる可能性があると心の中では思っていました。」
この制限を改善することは、単一細胞内のすべてのタンパク質または代謝産物の測定を目的とする単一細胞プロテオミクスやメタボロミクスなどの分野に大きな影響を与える可能性があります。 DNA とは異なり、これらの分子はコピーしたり増幅したりすることができず、一部の分子は他の分子よりも数百万分の 1 少ない場合があります。質量分析法はこれらの分野ですでに使用されていますが、圧倒的なバックグラウンドノイズの中で微弱な信号を検出しようとすると、現在の感度が不十分になることがよくあります。
「それは非常に明白なアイデアでした」と研究室の上級研究員であるアンドリュー・クルチンスキーは言う。 「しかし、質量分析法でそれを行う方法は明らかではありませんでした。」
細胞にヒントを得た並行アプローチ
MultiQ-IT の背後にある概念は、分子が核細孔複合体として知られる構造を通って細胞核にどのように出入りするかについての長期研究から生まれました。これらの構造は、すべてを単一のパスに強制的に通過させるのではなく、多くの小さな開口部にトラフィックを分散させます。研究者らは、質量分析法を同様の方法で機能するように再設計できないかと考えました。
その結果、従来の質量分析計の主要部分を置き換えることを目的とした、新しく設計されたイオントラップチャンバーが誕生しました。この立方体型のデバイスには、電気的に制御される小さな開口部が何百も含まれています。チャンバー内では、イオンがガス分子と衝突し、速度が低下し、ランダムに移動します。これにより、システムはイオンの複数のグループを順番に処理するのではなく、同時にソート、保持、誘導することができます。
チームは設計をわずか 6 つの開口部から 1,000 以上に拡張し、イオンがどの程度効果的に管理および分離できるかをテストしました。彼らは、入ってくる単一のイオンの流れを複数の並行した流れに分割して同時分析できることを示しました。
数十億の分子を一度に処理する
プロトタイプは印象的なパフォーマンスを発揮しました。 486 個のポートを備えたバージョンでは、一度に最大 100 億個の電荷を保持できます。これは、従来のイオン トラップの約 1,000 倍です。
この感度の向上により、存在量の少ない架橋ペプチドの検出が向上する可能性があり、これは大きなタンパク質複合体の構造をマッピングするのに貴重です。 「最も豊富でないもののほうが、より豊富なものよりも重要である可能性がある」とクルチンスキー氏は言う。
将来の機器の青写真
現段階では、MultiQ-IT はまだ完成した商用製品ではなく、何が達成可能かを示す概念実証にすぎません。研究者らは、これが最終的には臨床および実験室で使用する実用的なツールに開発される可能性がある基本的な設計であると考えています。
「DNA配列を決定するための反応の発見と現代のゲノミクスの間には多くの発展があり、最初のトランジスタが誕生してからチップ上に10億個のトランジスタが搭載されるまでには数十年かかりました」とチャイト氏は言う。 「どちらの場合も、誰かが最初にそれが可能であることを証明する必要があり、その後業界が引き継いだのです。私たちは質量分析をより効率的に実行できる1つの方法を示したと思います。」
#ほとんどの質量分析計は少数の分子を扱いますこの新しいプロトタイプは数十億を処理します