Los químicos buscan el 99% restante

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), dependiente del Departamento de Energía, están apuntando al 99% restante, creando nuevas formas de conocer mejor un vasto mar de compuestos desconocidos. Puede haber curas para enfermedades, nuevos enfoques para hacer frente al cambio climático o nuevas amenazas químicas o biológicas acechando en el universo químico.

El trabajo forma parte de una iniciativa conocida como m/q o "m sobre q", abreviatura de masa dividida por carga, que significa una de las formas en que los científicos miden las propiedades químicas en el mundo de la espectrometría de masas.

En la actualidad, podemos tomar una muestra del suelo y, dependiendo del tipo de suelo, puede haber miles de compuestos químicos en una cucharadita", explica Thomas Metz, que dirige la Iniciativa m/q . "Y no sabemos qué es lo que contiene. "Y no sabemos cuáles son la mayoría de ellos en términos de sus estructuras químicas. Sencillamente, no tenemos ni idea de lo que contienen".

Para identificar las sustancias, los científicos suelen recurrir a bibliotecas de referencia que contienen información sobre miles de moléculas. Los investigadores clasifican sus muestras del suelo, el cuerpo o cualquier otro lugar y comparan lo que han medido experimentalmente con lo que hay en la biblioteca. Aunque esto es útil, limita a los científicos a identificar estructuralmente sólo moléculas que se han visto antes, por ejemplo, mediante el análisis de compuestos estándar comprados a proveedores de productos químicos.

Los científicos de m/q apuntan al 99% restante que aún no ha sido identificado.

En el último avance, un equipo dirigido por el científico Adam Hollerbach ha combinado dos instrumentos de alta resolución en un solo sistema para medir moléculas con un detalle sin precedentes. Los resultados se publicaron en línea el 12 de junio en la revista Analytical Chemistry.

Ahora, los científicos pueden realizar varias mediciones importantes sobre compuestos químicos en un solo experimento, obteniendo información importante de forma más rápida, cómoda y precisa que antes.

La técnica de Hollerbach se aplica a iones, moléculas con carga positiva o negativa. Esto hace que sean más fáciles de controlar y posibles de detectar mediante espectrometría de masas.

Espectrometría de masas: la herramienta de los susurradores de iones

Al igual que las personas que los estudian, los iones tienen muchas características que los distinguen unos de otros. En las personas, el peso, el color del pelo, el tamaño, la forma, el color de los ojos y muchas otras características nos ayudan a saber quién es quién. En el caso de los iones, las características identificativas incluyen la masa, la forma, el tamaño, la carga eléctrica y la composición química. No sólo sirven como identificadores, sino también como guías sobre el comportamiento de las moléculas asociadas: pistas sobre su potencial para curar enfermedades o absorber contaminantes, por ejemplo.

Este conocimiento debería ayudar a decenas de científicos del PNNL a comprender el efecto de los microbios en el clima. Los microbios desempeñan un papel clave en la transformación de elementos como el carbono en otras formas importantes para el planeta. Su impacto en el calentamiento o enfriamiento del planeta es poderoso. Pero los científicos tienen mucho que aprender.

"Puede haber millones de microbios en un solo gramo de suelo, y no sabemos quiénes son la mayoría ni qué hacen. Aún queda mucho por descubrir", afirma Metz. Desde el punto de vista del desafío científico, se trata del peor escenario posible o de una de nuestras mayores oportunidades, según se mire".

Los científicos dem/q están aprovechando la oportunidad. En lugar de enmarcar sus preguntas dentro del número relativamente pequeño de compuestos que pueden identificarse en las mediciones convencionales de espectrometría de masas, están intentando saltarse las limitaciones actuales y crear una forma totalmente nueva de identificar lo que hoy se desconoce. Es un poco como cuando se despliega un nuevo telescopio y se ven varias estrellas distintas cuando antes sólo se veía una mezcolanza borrosa de cuerpos celestes.

Se trata de un trabajo experimental, en el que las moléculas se ponen a prueba en el laboratorio, y de un trabajo informático, en el que los científicos modelizan lo que ven y predicen lo que probablemente verán.

En los experimentos descritos en el artículo de Analytical Chemistry, Hollerbach y sus colegas realizaron mediciones sensibles de péptidos y lípidos. Los experimentos combinaron dos instrumentos con nombres similares pero que proporcionan detalles distintos sobre los iones. Ambos se utilizan en espectrometría de masas, un campo cuya historia está entretejida con descubrimientos de científicos del PNNL.

El primer instrumento es un espectrómetro de masas, que mide la masa de un ion, su carga eléctrica y cómo se descompone. En este estudio, el equipo utilizó un Orbitrap desarrollado por Thermo-Fisher Scientific. Estos instrumentos clasifican bien moléculas de masas diferentes, pero dos moléculas con la misma masa son difíciles de separar. Pensemos en dos personas que pesan 180 libras cada una: una es alta y delgada y la otra baja y fornida. En una balanza, sería imposible separarlas.

Un enfoque SLIM: la espectrometría de movilidad iónica aporta resultados contundentes

El segundo instrumento se conoce como SLIM: estructuras para manipulaciones de iones sin pérdidas. SLIM, creado por el científico del PNNL Richard D. Smith y sus colegas, es un espectrómetro de movilidad iónica que mide el tamaño y la carga eléctrica de un ion.

SLIM, que tiene el tamaño aproximado de un ordenador portátil y un grosor de sólo un cuarto de pulgada, es un hervidero de actividad molecular. Docenas de caminos largos y sinuosos transforman el pequeño dispositivo en una pista de carreras molecular de 42 pies de largo, con iones que están estrechamente controlados por campos eléctricos corriendo alrededor de una carrera de obstáculos ovalada.

Los "obstáculos" son otras moléculas conocidas, como las de helio o nitrógeno. A medida que los iones estudiados corren por el dispositivo SLIM, se desplazan alrededor o a través de las otras moléculas, dando tumbos y girando de forma parecida a como un corredor de fútbol americano corre a través y alrededor de los bloqueadores contrarios. El término "espectrometría de movilidad iónica" capta perfectamente la acción.

Al registrar el tiempo que tardan los iones en completar el recorrido -con qué destreza sortean a los iones bloqueadores-, los científicos aprenden todo tipo de cosas sobre la forma y el tamaño de los iones. Esta información, que no está disponible en un instrumento de espectrometría de masas estándar, se combina con datos sobre la masa, la carga eléctrica y el patrón de fragmentación del ion. En conjunto, los datos proporcionan la sección transversal de colisión del ion, su fórmula molecular y su patrón de fragmentación, propiedades fundamentales para comprender la estructura de una molécula.

"Dos moléculas diferentes pueden tener el mismo número de átomos y la misma masa y carga, pero tener estructuras y actividad muy diferentes. Ahí es donde entra en juego SLIM para distinguirlas", explica Hollerbach. "Sólo un pequeño cambio puede significar la diferencia entre una molécula indicativa de una enfermedad y otra que no lo es".

La clave del experimento de Hollerbach fue conseguir que los dos instrumentos funcionaran bien juntos. Aunque tanto la espectrometría de masas estándar como la espectrometría de movilidad iónica analizan iones, trabajan en escalas de tiempo diferentes. Los iones atraviesan el SLIM y llegan al Orbitrap más rápido de lo que pueden procesarse.

Así que Hollerbach recurrió a una vieja técnica, desplegando la "inyección de iones de doble compuerta". Añadió compuertas para controlar la entrada de iones en el sistema y para controlar su llegada al Orbitrap, optando por enviar al olvido algunos de los iones de SLIM para mantener el flujo a un ritmo manejable.

"Realmente, las preguntas que nos hacemos son muy sencillas", dijo Hollerbach. "¿Qué es esto y cuánto hay? Pero las técnicas que utilizamos son complejas".

Otros científicos de m/q están trabajando en formas adicionales de identificar o explotar moléculas desconocidas. Algunos están creando formas de utilizar datos como los del experimento de Hollerbach para predecir automáticamente la estructura de un ion, de modo que los fabricantes de fármacos y otros científicos sepan exactamente con qué están trabajando. Otros están explorando los millones de posibilidades de formas de compuestos como el fentanilo, separando lo que es improbable de lo que podría aparecer en la calle algún día. A continuación, predicen cómo se comportarían esos compuestos en un espectrómetro de masas y crean una forma de identificarlos cuando aparezcan.