Nieuwe detectietechniek maakt flitsfoto's van eiwitten
Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF hebben voor het eerst afbeeldingen gemaakt van een wolk van zware eiwit-ionen op het moment dat deze een detector raakt. De afbeeldingen geven de onderzoekers onder andere inzicht in het vormingsproces van eiwit-ionen op weefsel. Het onderzoek verscheen op 3 september 2013 als een Very Important Paper (VIP) in Angewandte Chemie.
Om de afbeeldingen te maken, combineerden onderzoekers uit de groep van prof.dr. Ron Heeren de zogeheten Timepix-detector met een massaspectrometer. Ze deden dat omdat massaspectroscopie alleen niet geschikt is om grote, intacte eiwitten aan te tonen in biologische monsters.
Goed gecombineerd
De AMOLF-onderzoekers hebben de Timepix-detector, die is ontwikkeld voor de hoge-energiefysica, eerst moeten aanpassen voor eiwitanalyse. Daartoe verwijderden ze een fotonen-sensor en plaatsten ze een plaat die gevoelig is voor geladen deeltjes zoals ionen. De Timepix-detectorchip bestaat uit 262.144 individuele pixels, die elk afzonderlijk de massa van de eiwit-ionen meten. Daardoor doet de detector niet één meting, maar produceert hij 262.144 spectra tegelijkertijd. De informatiedichtheid neemt daardoor sterk toe.
De onderzoekers koppelden de Timepix-detector aan een vluchttijd-massaspectrometer. Zo'n spectrometer versnelt de (met lasers geproduceerde) eiwit-ionen met een elektrisch veld. Ionen met dezelfde lading krijgen daardoor evenveel bewegingsenergie, maar hun daadwerkelijke snelheid is afhankelijk van hun massa. Lichte deeltjes bereiken sneller de detector. Zo is de verhouding tussen de massa en de lading van het molecuul te bepalen. Deze verhouding is uniek voor elk molecuul – waardoor het apparaat precies kan achterhalen welk eiwit de detector raakt.
Met de Timepix-methode kunnen de onderzoekers zware moleculen sneller en gevoeliger opsporen dan gebruikelijk. Bovendien bepaalt Timepix ook de positie van het molecuul op het moment dat deze de detector raakt, iets wat conventionele massaspectrometers niet kunnen.
Ionen in beeld
De onderzoekers onderzochten met dit systeem het zware antilichaam-eiwit immunoglobuline G. Ze zagen een serie ionen die met een standaarddetector niet of nauwelijks zichtbaar zijn. De onderzoekers brachten ook de positie van de verschillende moleculen in beeld. Zo konden ze afbeeldingen maken van de ionenwolk op het moment dat deze het detectoroppervlak raakte.
De afbeeldingen tonen voor het eerst het door lasers aangedreven vormingsproces van de eiwit-ionen. Ook laat de afbeelding zien hoe de lenzen van de massaspectrometer het beeld beïnvloeden. De onderzoekers krijgen met de beelden een uniek inzicht in de fundamentele fysica die zich in de ionenbron afspeelt. Ze kunnen deze informatie vervolgens direct gebruiken om de prestatie van de detector te optimaliseren.
"Het voordeel van de Timepix-detector is niet alleen dat je er meer dan een factor honderd gevoeliger mee kan meten, je kunt er ook gedetailleerde afbeeldingen mee maken", aldus Ron Heeren. "De detector markeert het volwassen worden van de moleculaire flitsfotografie."
Contact
Prof.dr. Ron M.A. Heeren (020) 754 71 00
Referentie
Shane R. Ellis, Julia H. Jungmann, Donald F. Smith, Jens Soltwisch en Ron M.A. Heeren, Enhanced Detection of High-Mass Proteins by Using an Active Pixel Detector, Angewandte Chemie Int. Ed. (2013) DOI: 10.1002/anie.201305501 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201305501/abstract