नवीन स्पेक्ट्रोमीटर एकाचवेळी १० अरब रेणू विश्लेषण करते

रेणू विश्लेषणातील अडचण

Mass spectrometry जीवशास्त्रातील सर्वात शक्तिशाली साधन आहे ज्याचा उपयोग हे समजून घेण्यासाठी केला जातो की कोणते रेणू येथे आहेत आणि किती आहेत — परंतु दशकांपासून ते एक मूलभूत मर्यादा अंतर्गत काम करत आहे: हे रेणू अनुक्रमे विश्लेषण करते, एक वेळी एक. Rockefeller विश्वविद्यालयाचे संशोधक यांनी आता एक प्रोटोटाइप बनवला आहे जो या मर्यादांचे उल्लंघन करतो, अरबो रेणू एकाचवेळी विश्लेषण करतो MultiQ-IT नावाच्या मोठ्या प्रमाणावर समांतर आर्किटेक्चरद्वारे. परिणाम म्हणजे संवेदनशीलतेतील १००-पट सुधार — एक उछाल जो जीवशास्त्रीय संशोधन आणि औषध शोध रूपांतरित करू शकतो त्याच प्रकारे समांतर संगणना डिजिटल प्रक्रिया रूपांतरित केली.

हे उपकरण Rockefeller येथे Brian T. Chait च्या प्रयोगशाळेत विकसित केले गेले होते, एक असंभाव्य जैविक मॉडेलद्वारे प्रेरित: nuclear pore complex, प्रोटीन यंत्र जो पेशु कोशिकेचे केंद्रक आणि बाहेर रेणू यातायात व्यवस्थापित करण्यासाठी वापरतात. सर्वकाही एका दरवाजातून मार्ग देण्याऐवजी, पेशु समांतरीकरण करतात: शत शतक nuclear pores एकाचवेळी यातायात हाताळतात. Chait च्या संशोधन दलाने असे विचारले की समान तत्व mass spectrometry ला लागू केला जाऊ शकेल का.

MultiQ-IT कसे कार्य करते

परंपरागत mass spectrometer रेणू ionize करतात — इलेक्ट्रॉन काढून किंवा जोडून त्यांना विद्युत शुल्क देण्यासाठी — त्यानंतर ते एका क्षेत्रामध्ये गती देतात आणि त्यांना detector पर्यंत पोहोचण्यासाठी किती वेळ लागतो हे मोजतात, किंवा ते वक्र चुंबकीय क्षेत्रामध्ये कसे हलतात. हे प्रत्येक रेणूचे स्वाक्षरी mass-to-charge ratio तयार करते जो त्याची ओळख करते. हे असाधारणपणे अचूक आहे, परंतु single-stream आर्किटेक्चर म्हणजे सामान्य, मुबलक रेणू विश्लेषण वर वर्चस्व गाजवतात, दुर्मिळ प्रजातींना बुडवून देतात.

MultiQ-IT हा single-stream आर्किटेक्चर घनाकार ion-trapping कक्षाने बदलतो जो १,००० विद्युत नियंत्रित उघड्यांनी सजलेला असतो. संकीर्ण ion beam एका single trap मधून वाहण्याऐवजी, MultiQ-IT येणारा प्रवाह हजारो समांतर चॅनेलमध्ये विभाजित करतो, प्रत्येक त्याचे स्वतःचे ion लोकसंख्या एकाचवेळी trap आणि विश्लेषण करते.

प्रोटोटाइपचे ४८६-पोर्ट आवृत्ती दहा अरब शुल्क एकाचवेळी धारण करू शकते — कमोबेस परंपरागत ion trap च्या क्षमतेच्या हजार पट. ती विशाल एकाचवेळी क्षमता दृश्यमान असे बदलते: फक्त सर्वात मुबलक रेणू पाहण्याऐवजी, प्रणाली trace सांद्रता येथे उपस्थित प्रोटीन आणि चयापचय शोधू शकते जे परंपरागत mass spectrometry पूर्णपणे अदृश्य होते.

Signal-to-Noise क्रांती

व्यावहारिक यश म्हणजे signal-to-noise ratio मध्ये १००-पट सुधार. जटिल जैविक नमुन्यांमध्ये — रक्त, पेशु घटक, ऊतक homogenate — बहुसंख्य रेणू कमी संख्येतील अत्यंत मुबलक प्रजातीचे असतात. Albumin रक्त प्रोटीन नमुन्यांचे वर्चस्व करतो, उदाहरणार्थ, हजारो निम्न-मुबलक प्रोटीन संकेत दबातो जे अर्थपूर्ण diagnostic किंवा mechanistic माहिती दिली शकते.

MultiQ-IT ने selective retention द्वारे याचा संबोध केला: कक्षाच्या बाहेर भागांचे विद्युत अडचणी सामान्य, singly charged noise रेणू निर्गम करण्यासाठी नियंत्रित करतात तर दुर्मिळ, multiply charged जैविक रेणू ज्याचे आपल्याला स्वारस्य आहे ते धरून ठेवतात. हे hardware मध्ये बनवलेले chemical discrimination आहे न की data analysis नंतर लागू केले गेले.

परिणाम हा आहे की प्रोटीन जे परंपरागत mass spectrometry प्रयोगांमध्ये अदृश्य होते — नमुन्यांमध्ये उपस्थित परंतु शोधण्यासाठी खूप कमी संख्येतून — जे संशोधक high definition म्हणून वर्णन करतात असे प्रदान केले जातात. यास single-cell proteomics साठी तात्कालिक परिणाम आहेत, व्यक्तिगत पेशु पूर्ण प्रोटीन सामग्री मोजण्याचे आव्हान, जास्त मात्रामध्ये उपस्थित प्रोटीन शोधण्याची आवश्यकता आहे.

GPU सादृश्य

Rockefeller संशोधन दलाने computing मध्ये CPU ते GPU संक्रमणमधील MultiQ-IT दरम्यान explicit सादृश्य काढले आहे. GPU पूर्वी, graphics rendering हे general-purpose processor सह अनुक्रमे केले गेले. massively parallel GPU आर्किटेक्चर मध्ये संक्रमण फक्त graphics वेगवान नाही केले — हे गणनाच्या पूर्णपणे नवीन श्रेणी अनलॉक केले, machine learning workloads सह जी आता AI प्रणाली शक्ती देतात.

Mass spectrometry चे sequential पासून parallel विश्लेषण मध्ये संक्रमण समान रीतीने क्षमता अनलॉक करू शकते जी सध्या अशक्य आहे न की फक्त मुश्किल. Single-cell proteomics, protein interaction network मैपिंग जीवंत ऊतकांमध्ये, आणि rare biomarker शोधण्यास clinically relevant सांद्रता रक्तामध्ये हे सर्व application असतात जे १००-पट संवेदनशीलता सुधारणा सह अधिक प्रसंघावर्धक होतात.

Clinical आणि Drug Discovery अनुप्रयोग साठी मार्ग

MultiQ-IT अजूनही एक प्रोटोटाइप आहे — एक proof of concept जो आर्किटेक्चर व्यवहारिकता स्थापित करतो न की एक पॉलिश commercial यंत्र. प्रयोगशाळा प्रोटोटाइप पासून commercial mass spectrometer पर्यंत मार्ग लक्षणीय अभियांत्रिकी काम समाविष्ट करतो: miniaturization, automation, software विकास, आणि उत्पादन प्रक्रिया precision ion-trapping आवश्यक structures विश्वसनीयपणे scale मध्ये तयार करण्यासाठी.

परंतु संशोधक असे वाद करतात की आर्किटेक्चर एक blueprint आहे, dead end नाही. अंतर्निहित तत्व — ion trapping चे massive parallelization — अधिक port जोडून, विद्युत अडचणी choosiness सुधारून, आणि चांगल्या detection प्रणाली integrate करून scale केली जाऊ शकते. चालू ४८६-पोर्ट प्रोटोटाइप एक प्रारंभिक बिंदू आहे, ceiling नाही.

Drug discovery मध्ये, trace प्रोटीन detect आणि quantify करण्याची क्षमता जटिल नमुन्यांमध्ये directly relevant आहे drug target ओळखण्यासाठी, drug-target engagement मापन, आणि candidate therapeutic चे mechanism of action समजण्यासाठी. Mass spectrometry क्रांती जी MultiQ-IT द्वारे वचन दिली गेली ती pharmaceutical विकास साठी timeline accelerate करू शकते जी सध्या संपूर्ण उद्योग मर्यादित करतात.

हा लेख Interesting Engineering द्वारे reporting वर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.