새로운 지문 질량 분석법이 프로테옴 해결의 길을 열다

Caltech 과학자들은 기계 학습을 통해 복잡한 나노스케일 장치를 사용하여 개별 입자와 분자의 질량을 정확하게 측정할 수 있는 방법을 개발했습니다. 이 새로운 기술은 질량 측정을 위해 다양한 장치를 사용할 수 있는 가능성을 열어주며, 따라서 단백질을 식별할 수 있으며, 유기체의 모든 단백질을 모아 놓은 완전한 프로테옴의 시퀀스를 결정하는 길을 열 수 있습니다.

단백질은 생명체의 엔진입니다. 어떤 단백질이 어디에서, 얼마만큼 생성되는지는 시스템의 건강에 대한 중요한 정보, 질병의 경우 무슨 일이 일어나는지에 대한 단서, 질병과 싸우는 잠재적인 접근 방식을 제공할 수 있습니다. 하지만 과학자들은 아직 전체 프로테옴을 특성화할 방법을 가지고 있지 않습니다.

"우리는 이제 단일 분자 수준에서 질량 분석법에 대해 이야기하고 있습니다. 단백질을 자르지 않고도 실시간으로 전체 단백질을 볼 수 있는 능력입니다." 물리학, 응용 물리학 및 생체공학의 Frank J. Roshek 교수이자 Nature Communications 저널에 새로운 기술을 설명하는 논문을 쓴 Michael Roukes가 말했습니다. "수백만 개의 단백질을 적당한 시간 내에 측정할 수 있을 만큼 처리량이 높은 단일 분자 기술이 있다면, 인간을 포함한 유기체의 완전한 프로테옴을 실제로 이해할 수 있습니다."

질량 분석법은 과학자들이 모든 종류의 분자 탐정을 수행하는 데 사용하는 일반적인 분석 도구입니다. 신비한 샘플로 시작하여 이온화(즉, 하나 이상의 전자를 제거하여 전하를 부여)하고 지정된 경로를 따라 빠르게 보냅니다. 그런 다음 자기장이나 전기장을 사용하여 이온을 측면에서 밀어내고 얼마나 멀리 움직이는지 확인합니다. 이온이 가볍고 양전하가 많을수록 더 많이 휘어집니다. 이를 통해 존재하는 다양한 이온 각각의 질량과 전하를 측정할 수 있습니다. 연구자는 이 정보를 사용하여 샘플의 화학적 구성을 해결하려고 시도할 수 있습니다.

질량 분석법은 법의학에서 미량 원소 분석, 질병 바이오마커 검출, 살충제 잔류물 분석을 포함한 여러 가지 목적으로 사용됩니다. 그러나 초기 이온화 단계는 모든 샘플, 특히 프로세스에 의해 변경될 수 있는 생물학적 샘플에 이상적이지 않습니다.

샘플이 미세해지면 상황은 더 복잡해집니다. 예를 들어 과학자들이 개별 단백질의 질량을 결정하고자 할 때 말입니다. 지난 20년 동안 나노전기기계 시스템(NEMS)이라는 정교한 나노스케일 장치가 개발되면서 샘플을 먼저 이온화할 필요가 없는 유형의 질량 분석을 수행하는 것이 가능해졌습니다. 이를 통해 실시간으로 소분자의 질량을 일상적으로 측정할 수 있게 되었습니다. 이 접근 방식을 사용하면 과학자들은 샘플에서 발견될 가능성이 가장 높은 화학 종을 해석할 때 최선의 추측을 할 필요가 없습니다. 하지만 이 방법은 특정 복잡한 NEMS 장치가 질량 분석에 사용되는 것을 배제했습니다.

NEMS 질량 분석은 일반적으로 양쪽 끝에 고정된 작은 빔이라고 생각할 수 있는 실리콘 장치로 수행됩니다. 빔이 타격되면 기타 줄처럼 공명하고 특정 모드 모양이 다른 주파수에서 발생하면서 위아래로 이동합니다.

샘플을 그러한 빔에 놓으면 빔의 진동 모드의 개별 주파수가 변경됩니다. "이러한 주파수 변화에서 샘플의 질량을 유추할 수 있습니다."라고 Caltech 항공우주 및 응용 물리학 연구 교수이자 새로운 논문의 주 저자인 John Sader가 말합니다. "하지만 그렇게 하려면 각 모드의 모양을 알아야 합니다. 이것이 현재 이러한 모든 측정의 핵심입니다. 이러한 장치가 어떻게 진동하는지 알아야 합니다."

최신 NEMS 장치를 사용하면 항상 정확한 모드 모양을 결정할 수 있는 것은 아닙니다. 나노스케일에서는 장치 간 변형이나 불완전성이 있어 모드 모양을 약간 변경할 수 있기 때문입니다. 그리고 연구자들이 양자 영역의 기본 물리학을 연구하기 위해 개발한 고급 NEMS 장치는 주파수가 서로 매우 가까운 매우 복잡한 3차원 모드를 가지고 있습니다. Sader는 "이론을 사용하여 모드 모양과 주파수를 계산하고 측정 중에 이것이 유지된다고 가정할 수는 없습니다."라고 말합니다.

또 다른 복잡한 문제는 장치 내에서 샘플을 떨어뜨리는 정확한 위치가 빔의 주파수 측정에 영향을 미친다는 것입니다. 그 간단한 빔 장치를 다시 생각해 보면, 샘플을 고정된 끝 중 하나에 가깝게 놓으면 예를 들어 진동 진폭이 더 클 가능성이 있는 중앙 근처에 놓았을 때만큼 주파수가 변하지 않습니다. 그러나 크기가 대략 1마이크론 x 1마이크론인 장치의 경우 샘플의 정확한 위치를 시각화하는 것은 불가능합니다.

지문은 위치를 나타내고 대량 발생으로 이어집니다.

세이더, 루크스, 그리고 그들의 동료들은 이런 문제를 우회하는 "지문 나노전기기계 질량 분석법"이라는 새로운 기술을 개발했습니다.

이 방법에 따라 연구자들은 초고진공과 초저온에서 NEMS 장치에 단일 입자를 무작위로 배치합니다. 실시간으로 그들은 여러 장치 모드의 주파수가 배치에 따라 어떻게 변하는지 측정합니다. 이를 통해 각 모드에 대해 하나의 벡터 차원을 갖는 주파수의 변화를 나타내는 고차원 벡터를 구성할 수 있습니다. 다양한 무작위 위치에 배치된 입자에 대해 이를 반복적으로 수행하여 머신 러닝 소프트웨어를 훈련하는 데 사용되는 장치의 벡터 라이브러리를 구축했습니다.

각 벡터는 일종의 지문인 것으로 밝혀졌습니다. 그것은 입자가 떨어지는 곳에 따라 고유하게 변하는 식별 모양(또는 방향)을 가지고 있습니다.

"알 수 없는 질량을 가진 입자를 NEMS 장치의 아무 곳에나 놓으면(어디에 떨어졌는지는 모릅니다. 사실, 저는 신경 쓰지 않습니다) 진동 모드의 주파수를 측정하면 특정 방향을 가리키는 벡터가 나옵니다." Sader가 설명합니다. "그런 다음 데이터베이스의 모든 벡터와 비교하여 가장 평행한 벡터를 찾으면 그 비교를 통해 알 수 없는 입자의 질량을 얻을 수 있습니다. 단순히 두 벡터의 크기 비율입니다."

Roukes와 Sader는 이 지문 기법이 모든 기기에서 작동할 수 있다고 말합니다. Caltech 팀은 이 연구를 위해 동료인 Stanford 물리학자 Amir Safavi-Naeni의 연구실에서 개발된 음향 결정 NEMS 기기를 이론적으로 분석했습니다. 이러한 고급 NEMS 기기는 진동을 효과적으로 가두어 특정 주파수에서 오랫동안 "울림"을 계속하여 연구자들이 양질의 측정값을 수집할 수 있는 충분한 시간을 제공합니다. 지문 방법은 이러한 최첨단 기기로 질량 분석 측정을 가능하게 합니다. 준비 과정에서 팀은 대체 기기를 사용하여 지문 방법을 벤치마킹했습니다. 여기에는 세포에서 적절한 단백질 접힘을 돕는 분자 샤페론 단백질인 GroEL의 개별 입자 질량을 측정하는 것이 포함되었습니다.

Roukes는 GroEL과 같은 대형 단백질 복합체와 막 단백질의 경우 표준 질량 분석법은 여러 가지 이유로 문제가 있다고 지적합니다. 첫째, 이러한 방법은 총 질량과 전하를 제공하고 이러한 측정은 단일 종을 고유하게 식별하지 못합니다. 이처럼 큰 복합체의 경우 가능한 후보가 많을 것입니다. Roukes는 "어떤 식으로든 이를 모호하지 않게 해야 합니다."라고 말합니다. "이 시점에서 모호하지 않게 하는 가장 뛰어난 방법은 퍼즐을 가져와 3~20개 아미노산 길이의 조각으로 자르는 것입니다." 그런 다음 패턴 인식을 사용하여 모든 딸 조각에서 모 분자를 식별할 것이라고 그는 말합니다. "하지만 원래 물건의 구성이나 형태가 무엇인지에 대한 고유 식별자는 더 이상 없습니다. 자르는 과정에서 파괴했기 때문입니다."

새로운 지문 기술은 "네이티브 단일 분자 질량 분석법이라는 대안으로 나아가고 있습니다. 여기서는 큰 단백질과 단백질 복합체를 잘게 자르지 않고 원래 형태 그대로 하나씩 살펴보는 것입니다."라고 Roukes는 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241022153832.htm