కొత్త స్పెక్ట్రోమీటర్ 10 బిలియన్ అణువులను ఏకకాలంలో విశ్లేషిస్తుంది

పరమాణు విశ్లేషణలో అడ్డంకి

Mass spectrometry జీవశాస్త్రం యొక్క సবচేటి శక్తిశాలీ సాధనం ఏ పరమాణువులు ఇక్కడ ఉన్నాయో మరియు ఎన్ని ఉన్నాయో నిర్ణయించడానికి — కానీ దశకాలుగా ఇది ఒక ప్రాథమిక పరిమితి కింద ఉంది: ఇది కణుపక్రమంగా పరమాణువులను విశ్లేషిస్తుంది, ఒక సమయంలో ఒకటి. Rockefeller విశ్వవిద్యాలయ పరిశోధకులు ఇప్పుడు ఈ పరిమితిని విచ్ఛిన్నం చేసే ప్రోటోటైప్‌ను నిర్మించారు, విస్తృత సమాంతర ఆర్కిటెక్చర MultiQ-IT ద్వారా ఏకకాలంలో బిలియన్ల పరమాణువులను విశ్లేషిస్తారు. ఫలితం సున్నితత్వంలో 100-రెట్ల సంభావ్యత — ఇది సమాంతర కంప్యూటింగ్ డిజిటల్ ప్రక్రియను రూపాంతరం చేసిన విధంగా జీవశాస్త్రీయ పరిశోధన మరియు ఔషధ ఆవిష్కరణను రూపాంతరం చేయగలదు.

ఇది Rockefeller లో Brian T. Chait యొక్క ల్యాబరేటరీలో అభివృద్ధి చేయబడింది, సంభావ్య జీవ మోడల్ ద్వారా ప్రేరిత: nuclear pore complex, కణువు కోశ యొక్క కేంద్రకం లోపలికి మరియు బయటకు పరమాణు ట్రాఫిక్‌ను నిర్వహించటానికి ఉపయోగించే ప్రోటీన్ యంత్రం. ప్రతిదీ ఒక గేట్ ద్వారా రూట్ చేసే బదులుగా, కణువులు సమాంతరీకరణ చేస్తాయి: నూరు nuclear pores ఏకకాలంలో ట్రాఫిక్‌ను నిర్వహిస్తాయి. Chait యొక్క సమూహం ఇదే సూత్రం mass spectrometry కు వర్తించవచ్చో అని ప్రశ్నించారు.

MultiQ-IT ఎలా పనిచేస్తుంది

సాంప్రదాయిక mass spectrometer కణువులను ionize చేస్తుంది — విద్యుత్ ఛార్జ్ ఇవ్వడానికి ఎలక్ట్రాన్‌లను తొలగిస్తారు లేదా జోడిస్తారు — తరువాత వాటిని క్షేత్రం ద్వారా వేగవంతం చేస్తారు మరియు ఇవ్వడానికి ఎంత సమయం పడుతుందో కొలుస్తారు, లేదా వక్ర magnetic క్షేత్రం ద్వారా ఎలా కదులుతుందో కొలుస్తారు. ఇది ప్రతిটి పరమాణువుని గుర్తించే signature mass-to-charge నిష్పత్తిని ఉత్పన్నం చేస్తుంది. ఇది అసాధారణంగా ఖచ్చితమైనది, కానీ single-stream ఆర్కిటెక్చర సాధారణ, సమృద్ధ పరమాణువులు విశ్లేషణను ఆధిపత్యం చేస్తారని అర్థం, అరుదైన జాతులను మునిగిపోయుతుంది.

MultiQ-IT ఈ single-stream ఆర్కిటెక్చరను ఒక చతురస్త ion-trapping గదితో భర్తీ చేస్తుంది 1,000 విద్యుద్వాహకంగా నియంత్రిత ఓపెనింగ్‌లతో. ఎక్కువ ion బీమ్ ఒకటి trap ద్వారా ప్రవహించే బదులుగా, MultiQ-IT ఇన్‌కమింగ్ స్ట్రీమ్‌ను వేల సమాంతర చానెల్‌లకు విభజిస్తుంది, ప్రతిটి నిరాకారమైన ion జనాభాను ఏకకాలంలో చిక్కు మరియు విశ్లేషిస్తుంది.

ప్రోటోటైప్ యొక్క 486-పోర్ట్ సంస్కరణ ఏకకాలంలో పది బిలియన్ ఛార్జ్‌లను ఆచరణ చేయగలదు — సాంప్రదాయిక ion trap క్షమతకు సుమారు వేలు సార్లు. ఆ విస్తారమైన ఏకకాలిక సామర్థ్యం దృశ్యమానం చేయబడిన వాటిని మారుస్తుంది: అత్యంత సమృద్ధ పరమాణువులను మాత్రమే చూfrancia్ బదులుగా, సిస్టమ్ ట్రేస్ సాంద్రతలో ఉన్న ప్రోటీన్‌లు మరియు జీవక్రియలను గుర్తించగలదు, ఇవి సాంప్రదాయిక mass spectrometry కు పూర్తిగా చెవిటిస్తాయి.

సిగ్నల్-టు-నాయిస్ విప్లవం

ఆచరణీయ సాఫల్యం signal-to-noise నిష్పత్తిలో 100-రెట్ల సంభావ్యత. సంక్లిష్ట జీవ నమూనాలలో — రక్తం, కణ సంగ్రహణ, కణజాల సమరూపతలు — పెద్ద మరియు సమృద్ధ జాతుల చిన్న సంఖ్య. Albumin రక్త ప్రోటీన్ నమూనాలను ఆధిపత్యం చేస్తుంది, ఉదాహరణకు, వేల సంఖ్యలో నిమ్న సమృద్ధ ప్రోటీన్‌ల సంకేతాలను నిమజ్జనం చేస్తుంది, ఇది అర్థవంతమైన రోగమోక్ష లేదా యంత్ర సమాచారాన్ని సూచిస్తుంది.

MultiQ-IT ఎంపిక రిటెన్షన్ ద్వారా దీనిని పరిష్కరిస్తుంది: గది యొక్క నిష్క్రమణ బిందువుల వద్ద విద్యుద్ వేణులు సాధారణ, ఏక-ఛార్జ్ కోలాహల ఓపెనింగ్‌లను తప్పించటానికి ట్యూన్ చేయబడ్డాయి, అరుదైన, గుణకారం ఛార్జ్‌చేసిన జీవ పరమాణువుల నిలుపుకోవడం. ఇది డేటా విశ్లేషణ తర్వాత వర్తించబడిన హార్డవేర్‌లో నిర్మితమైన రసాయన వివక్ష..

ఫలితం ఏమిటంటే సాంప్రదాయిక mass spectrometry ప్రయోగాలలో చెవిటిస్ అయిన ప్రోటీన్‌లు — నమూనాలలో ఉన్నాయి కానీ గుర్తించటానికి చాలా తక్కువ సమృద్ధతా ఉన్నాయి — వాటిని పరిశోధకులు అధిక నిర్వచనం గా వర్ణిస్తారు. ఇది single-cell proteomics కు తక్షణ ఆభరణకు ఉన్నది, వ్యక్తిగత కణుపక్రమ యొక్క సంపూర్ణ ప్రోటీన్ సమాచారం కొలుస్తున్న సవాలు, చాలా తక్కువ పరిమాణాలలో ఉన్న ప్రోటీన్‌లను గుర్తించవలసిన అవసరం.

GPU సమానతा

Rockefeller సమూహం computing లో CPU కు GPU పరివర్తన మధ్య MultiQ-IT మధ్య స్పష్టమైన సమానతను చేసింది. GPU లేని ముందు, గ్రాఫిక్‌ల రెండరింగ్‌ను general-purpose processor పై చేసారు. విస్తృత సమాంతర GPU ఆర్కిటెక్చర కు ఈ మార్పు గ్రాఫిక్‌లను వేగవంతం చేయలేదు — ఇది గణన యొక్క పూర్తిగా కొత్త తరగతులను అపలాక్ చేసింది, ఇప్పుడు AI వ్యవస్థలను శక్తిశాలిని చేసే machine learning workload సహ.

Sequential నుండి parallel విశ్లేషణ కు mass spectrometry పరివర్తన ఇప్పటికీ అసాధ్య అయిన సంభావ్యతలను అపలాక్ చేయగలదు కానీ కేవలం కష్టమైనది. Single-cell proteomics, జీవిత కణజాలాలలో ప్రోటీన్ మిలనం నెట్‌వర్క్ మ్యాపింగ్, మరియు రక్తంలో clinically సంబంధితమైన సాంద్రతలో అరుదైన బయోమార్కర్‌ల గుర్తించటం ఇవన్నీ 100-రెట్ల సున్నితత్వ సంభావ్యత కు మరింత tractable అయిన ఆవేదన.

ఖాళీ మరియు Drug Discovery అనువర్తనాల ఫలితాలకు లేఖ

MultiQ-IT ఇప్పటికీ ప్రోటోటైప్ — ఆర్కిటెక్చర సాధ్యతను నిర్ధారిస్తూ ఒక నిరూపణ కానీ మెరిపెట్ట commercial రంగం. ప్రయోగశాల ప్రోటోటైప్ నుండి commercial mass spectrometer వరకు మార్గం గణనీయమైన ఇంజనీరింగ్ పనిని సూచిస్తుంది: miniaturization, స్వయంచాలిత, software నిర్మాణం, మరియు ఉత్పత్తి ప్రక్రియలు ఖచ్చితమైన ion-trapping నిర్మాణాలను reliability పెద్ద ఘనీభవనంలో తయారుచేయడానికి.

కానీ పరిశోధకులు ఆర్కిటెక్చర బ్లూప్రింట్, చనిపోయిన ముగింపు కాదని వాదించారు. ప్రాథమిక సూత్రం — ion trapping యొక్క మాస్సివ్ సమాంతరీకరణ — మరిన్ని పోర్టులను సంకలితం చేయటం, విద్యుద్ వేణుల ఎంపికను మెరుగుపరచటం, మరియు మెరుగైన గుర్తింపు వ్యవస్థలను సమగ్రీకరణ చేయటం ద్వారా గుణవంతం చేయవచ్చు. నిలువుగా 486-పోర్ట్ ప్రోటోటైప్ ప్రారంభ బిందువు, పర్వతశిఖరం కాదు.

Drug discovery లో, సంక్లిష్ట నమూనాలలో trace ప్రోటీన్‌లను గుర్తించటం మరియు సుమారుటకు సామర్థ్యం drug లక్ష్యాలను సుమారుటకు నేరుగా సంబంధితమైనది, drug-target ఎంగేజ్‌మెంట్‌ను కొలుస్తుంది, మరియు చేపటిన ఔషధ మెకానిజం చర్యను అర్థం చేసుకుంటుంది. Mass spectrometry విప్లవం MultiQ-IT ద్వారా వాగ్దానం చేయబడిన ఇండస్ట్రీ గా పూర్తి pharmaceutical నిర్మాణాన్ని పరిమితం చేసిన సమయటేబుల్‌లను త్వరితం చేయగలదు.

ఈ కథ Interesting Engineering ద్వారా రిపోర్టింగ్ ఆధారంగా ఉంది. అసలైన కథను చదవండి.