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2026-03-20 01:15:00
Newswise — 質量分析法は、特定のサンプル中にどのような種類の分子がどれだけ存在するかを決定するための強力なツールです。しかし、ほとんどの機器は依然として一度に 1 つまたは数個の分子を分析します。このアプローチは非効率的でコストがかかり、まれではあるが重要な分子が簡単に亀裂の間に落ちてしまう可能性があります。
この技術のより強力なバージョンにより、いつか科学者が単一細胞の分子内容を完全に読み取り、一度に何千もの化学反応を追跡し、最終的には医薬品開発などの取り組みを加速できるようになる可能性があります。
今回、新しい研究では、一度に膨大な数の分子を処理できるMultiQ-ITと呼ばれるプロトタイプを作成することで、その方向への最初の大きな一歩が説明されています。この発見は、ゲノミクスとコンピューティングを再構築するような変革に質量分析を位置づけることができる、より高速で感度の高い機器の青写真を提供します。
「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。」
大きなボトルネック
質量分析法は 1913 年頃に発明され、それ以来生物学の最も強力な分析ツールの 1 つになりました。この技術により、科学者は分子をイオン化するか電荷を与えて質量電荷比を測定することにより、分子を特定し、定量化することができます。しかし、その高度化にもかかわらず、ほとんどの質量分析計は依然として一度に 1 つまたは数個のイオン種を順番に実行しており、多くの場合、複雑な生体サンプル内の希少分子を識別するために必要な絶妙な感度が欠けています。
「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。」
もしそれが実現すれば、単細胞プロテオミクスだけでなくメタボロミクスも変革する可能性があり、単一細胞内のタンパク質や代謝産物の完全なセットを同定して定量することを目的とした分野が急成長している。 DNA とは異なり、これらの分子は増幅することができず、最も豊富に存在する種は、最も希少な種よりも何百万倍も蔓延している可能性があります。 質量分析法はこれらの用途で有用であることがすでに証明されていますが、より豊富な種の圧倒的なバックグラウンドに対して微弱な信号を検出するはるかに優れた能力がなければ、その可能性を最大限に発揮することはできません。
Chaitらは、この限界を克服する唯一の方法は、かつてコンピューティングとゲノミクスを変革した、いわゆる「大規模並列化」を通じて100年前の技術を導入することであると疑った。コンピューティングでは、研究者は、大きなタスクを多数の小さなタスクに分割し、グラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) を使用してそれらを同時に処理すると、パフォーマンスが大幅に向上することを発見しました。 DNA シークエンシングも同様の道をたどり、一度に数百万の反応を分析できる比較的低コストのプラットフォームが誕生しました。
「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。」
超並列処理に向けて
MultiQ-IT のアイデアは、分子が核細孔複合体と呼ばれる何百もの小さなゲートウェイを通って細胞の核に出入りする仕組みについての数十年にわたる研究から生まれました。 Chaitらは、セルがトラフィックを単一のチャネルに強制的に通過させるのではなく、多くの並行する開口部にどのように作業を分散させるかを観察した。研究チームは、これらの方針に沿って質量分析を再設計できないかどうかを検討しました。
その結果、従来の質量分析計のコアコンポーネントを置き換えるように設計された新しいイオントラップチャンバーが誕生しました。立方体型のデバイスには、電気的に制御される数百の小さな開口部が並んでいます。内部では、イオンは残留ガス分子との複数回の衝突によって減速され、チャンバー内をランダムに移動することができます。そこでシステムは、多くの集団を 1 つずつ分析するのではなく、一度にフィルター、保持、方向転換することができます。チームは設計を 6 つの開口部から 1,000 以上の開口部に拡張し、イオンをいかに効率的に閉じ込めて分類できるかをテストし、単一の流入ストリームを複数の並列ストリームに分割して同時分析できることを実証しました。
そのパフォーマンスは衝撃的でした。 MultiQ-IT の 486 ポート バージョンは、常に最大 100 億の電荷を保持でき、これは従来のイオン トラップの容量のおよそ 1,000 倍です。
プロトタイプによって実証されたこの感度の向上は、たとえば、存在量の少ない架橋ペプチドの検出の向上につながる可能性があり、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非常に有用であることが証明されています。 「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。
現時点では、MultiQ-IT は完成した商用手段というよりも、何が可能であるかを実証するものです。研究者らは、その役割を、いつか堅牢な臨床ツールや分析ツールに拡張できる物理的な青写真を確立することだと考えています。
「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。」
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