分子分析のボトルネック
質量分析計は、どの分子がここにあり、いくつあるかという質問に答えるための生物学における最も強力なツールでした。しかし、数十年の間、それは基本的な制限の下で動作してきました。分子を順序立てて、一度に1つずつ分析します。ロックフェラー大学の研究人員は、この制限を破るプロトタイプを構築し、MultiQ-ITと呼ばれる大規模な並列アーキテクチャを通じて同時に数十億の分子を分析しています。結果は感度で100倍の改善です。並列コンピューティングがデジタル処理を変換したのと同じ方法で、生物学的研究と医薬品開発を変換する可能性があるリープです。
デバイスはロックフェラーのBrian T. Chaitのラボで開発されました。核孔複合体という予期しない生物学的モデルにインスピレーションを受けています。これは、細胞が細胞核の内外への分子トラフィックを管理するために使用するタンパク質マシンです。細胞はすべてを単一のゲートを通じてルーティングする代わりに、並列処理を行います。数百の核孔が同時にトラフィックを処理します。Chaitのチームは、同じ原理を質量分析計に適用できるかどうかを尋ねました。
MultiQ-ITの仕組み
従来の質量分析計は分子をイオン化します。電子を削除または追加して、電荷を与えます。その後、フィールドを通じて加速し、検出器に到達するのにかかる時間を測定するか、湾曲した磁場をどのように移動するかです。これにより、各分子を識別する質量対電荷比シグネチャが生成されます。それは非常に正確ですが、単一ストリームアーキテクチャは、一般的で豊富な分子が分析を支配し、より希なものを淹れることを意味します。
MultiQ-ITは、このシングルストリームアーキテクチャを、1000の電気的に制御された開口部で仕上げた立方体形のイオントラップチャンバーに置き換えます。単一のトラップを流れる狭いイオンビームの代わりに、MultiQ-ITは、着信ストリームを数千の並列チャネルに分割し、それぞれが同時に独自のイオン個体群をトラップして分析します。
プロトタイプの486ポートバージョンは、同時に100億の電荷を保持できます。これは従来のイオントラップの容量のおよそ1000倍です。その巨大な同時容量は、見えるものを変えます。最も豊富な分子だけを見る代わりに、システムは従来の質量分析計に対して完全に見えないような微量濃度で存在するタンパク質と代謝物を検出できます。
信号対ノイズ比の革命
実用的なブレークスルーは、信号対ノイズ比で100倍の改善です。複雑な生物学的サンプルでは、血液、セル抽出物、組織ホモジネート、分子の大多数は、少数の非常に豊富な種です。例えば、アルブミンは血液タンパク質サンプルを支配し、意味のある診断的または機械的情報を運ぶ可能性のある数千の低豊度タンパク質からの信号をかき消します。
MultiQ-ITは選択的な保持によってこれに対処します。チャンバーの出口の電気バリアは、一般的な単一帯電ノイズ分子が逃げることを可能にし、レアで複数に帯電した興味のある生物学的分子を保持するように調整されています。これは、事後のデータ分析で適用されるのではなく、ハードウェアに組み込まれた化学的判別の形式です。
結果は、従来の質量分析計実験では目に見えなかったタンパク質です。サンプルに存在していますが、検出するのに豊度が低すぎます。研究者が高解像度と説明するもので描かれています。これは、単一細胞プロテオミクスに直接的な影響を持っています。これは、個々の細胞の完全なタンパク質含有量を測定する課題です。これには、非常に少量で存在するタンパク質を検出する必要があります。
GPU類推
ロックフェラーチームは、MultiQ-ITとコンピューティング内のCPUからGPUへの移行の間に明示的な類推を描きました。GPUの前に、グラフィックスレンダリングは汎用プロセッサ上でシーケンスで行われました。大規模に並列なGPUアーキテクチャへのシフトは、グラフィックスをより高速にしませんでした。それは計算の完全に新しいカテゴリーをロック解除しました。これには、現在AIシステムを強力にする機械学習ワークロードが含まれます。
順序付きから並列分析への質量分析計の移行は、同様に、現在不可能というより単なる困難である機能をロック解除する可能性があります。単一細胞プロテオミクス、生きている組織内のタンパク質相互作用ネットワークのマッピング、血液内の臨床的に関連する濃度でのレアバイオマーカーの検出はすべて、100倍の感度改善でより扱いやすくなるアプリケーションです。
臨床および医薬品開発アプリケーションへのパス
MultiQ-ITはまだプロトタイプです。アーキテクチャの実行可能性を確立する概念実証ではなく、磨かれた商用機器ではなく、アーキテクチャの実行可能性を確立します。ラボプロトタイプから商用質量分析計へのパスには、重要なエンジニアリング作業が伴います。小型化、オートメーション、ソフトウェア開発、精密イオントラップ構造を規模で確実に生産するために必要な製造プロセス。
しかし、研究者は建築は青写真であり、行き止まりではないと主張しています。基本的な原則、イオントラッピングの大規模な並列化は、より多くのポートを追加し、電気バリアの選択性を改善し、より良い検出システムを統合することで拡張できます。現在の486ポートプロトタイプは開始点であり、天井ではありません。
医薬品開発では、複雑なサンプルでトレースタンパク質を検出および定量化できることは、医薬品ターゲットを特定し、医薬品対象の関与を測定し、候補治療法の作用メカニズムを理解することに直接関連しています。MultiQ-ITによって約束された分光計の革命は、現在業界全体での医療開発を制約するタイムラインを加速することができます。
この記事はInteresting Engineeringの報告に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on interestingengineering.com
