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O universo está repleto de bilhões de substâncias químicas possíveis. Mas mesmo com um bando de instrumentos de alta tecnologia, os cientistas determinaram as estruturas químicas de apenas uma pequena fração desses compostos, talvez 1 por cento.
Cientistas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia estão mirando nos outros 99%, criando novas maneiras de aprender mais sobre um vasto mar de compostos desconhecidos. Pode haver curas para doenças, novas abordagens para lidar com as mudanças climáticas ou novas ameaças químicas ou biológicas à espreita no universo químico.
A obra faz parte de uma iniciativa conhecida como m/q ou “m sobre q” — abreviação de massa dividida por carga, que significa uma das maneiras pelas quais os cientistas medem as propriedades químicas no mundo da espectrometria de massa.
“Neste momento, podemos colher uma amostra do solo, onde, dependendo do tipo de solo, pode haver milhares de compostos químicos em apenas uma colher de chá”, disse Thomas Metz, que lidera o m/q Iniciativa. “E não sabemos o que a maioria deles são em termos de suas estruturas químicas. Simplesmente não temos ideia do que há lá dentro.”
Os cientistas geralmente contam com bibliotecas de referência que contêm informações sobre milhares de moléculas para identificar substâncias. Os pesquisadores classificam suas amostras do solo, do corpo ou de outro lugar e comparam o que mediram experimentalmente com o que está na biblioteca. Embora isso seja útil, limita os cientistas a apenas identificar estruturalmente moléculas que já foram vistas antes – por exemplo, por meio da análise de compostos padrão adquiridos de fornecedores químicos.
m/q os cientistas estão mirando nos outros 99% que ainda não foram identificados.
No desenvolvimento mais recente, uma equipe liderada pelo cientista Adam Hollerbach combinou dois instrumentos de alta resolução em um sistema para dimensionar moléculas em detalhes sem precedentes. Os resultados foram publicados online em 12 de junho na revista Química Analítica.
Agora, os cientistas podem fazer várias medições importantes sobre compostos químicos em um experimento, obtendo informações importantes de forma mais rápida, conveniente e precisa do que antes.
A técnica de Hollerbach se aplica a íons – moléculas que têm carga positiva ou negativa. Isso os torna mais fáceis de controlar e possíveis de detectar usando espectrometria de massa.
Espectrometria de massa: ferramenta dos sussurradores de íons
Como as pessoas que os estudam, os íons têm muitas características que os distinguem uns dos outros. Nas pessoas, o peso, a cor do cabelo, o tamanho, a forma, a cor dos olhos e muitas outras características nos ajudam a saber quem é quem. Para os íons, as características de identificação incluem massa, forma, tamanho, carga elétrica e composição química. Eles não servem apenas como identificadores, mas também como guias para o comportamento das moléculas associadas – pistas de seu potencial para curar doenças ou absorver poluentes, por exemplo.
Essa compreensão deve ajudar os esforços de dezenas de cientistas do PNNL que se concentram na compreensão do efeito dos micróbios no clima. Os micróbios desempenham um papel fundamental na transformação de elementos como o carbono em outras formas importantes para o planeta. Seu impacto no aquecimento ou resfriamento do planeta é poderoso. Mas os cientistas têm muito a aprender.
“Pode haver milhões de micróbios em apenas um grama de solo, e não sabemos quem são a maioria ou o que fazem. Ainda há muitas descobertas a serem feitas”, disse Metz. “Do ponto de vista de desafiar a ciência, é o pior cenário ou uma das nossas maiores oportunidades, dependendo de como você olha para isso.”
m/q cientistas estão aproveitando a oportunidade. Em vez de enquadrar suas perguntas dentro do número relativamente pequeno de compostos que podem ser identificados em medições convencionais de espectrometria de massa, eles estão tentando superar as limitações atuais e criar uma maneira totalmente nova de identificar o que é desconhecido hoje. É um pouco como quando um novo telescópio é implantado e revela várias estrelas distintas onde antes, apenas uma mistura borrada de corpos celestes era visível.
O trabalho é tanto experimental, colocando moléculas à prova em laboratório, quanto em computadores, onde os cientistas modelam o que estão vendo e preveem o que provavelmente verão.
Nos experimentos descritos no Química Analítica papel, Hollerbach e colegas fizeram medições sensíveis de peptídeos e lipídios. Os experimentos combinaram dois instrumentos com nomes semelhantes, mas que fornecem detalhes diferentes sobre os íons. Ambos são usados em espectrometria de massas, um campo cuja história se confunde com descobertas de cientistas do PNNL.
O primeiro instrumento é um espectrômetro de massa, que mede a massa de um íon, a carga elétrica e como o íon se decompõe. Neste estudo, a equipe usou um Orbitrap desenvolvido pela Thermo-Fisher Scientific. Esses instrumentos classificam bem moléculas de massas diferentes, mas duas moléculas com a mesma massa são difíceis de separar. Pense em duas pessoas, cada uma pesando 180 libras. – um é alto e magro, enquanto o outro é baixo e atarracado. Em uma escala sozinha, eles seriam impossíveis de separar.
Uma abordagem SLIM: espectrometria de mobilidade iônica traz resultados robustos
O segundo instrumento é conhecido como SLIM: estruturas para manipulações de íons sem perdas. O SLIM, criado pelo cientista do PNNL Richard D. Smith e seus colegas, é um espectrômetro de mobilidade iônica que mede o tamanho e a carga elétrica de um íon.
O SLIM, que tem aproximadamente o tamanho de um laptop e tem apenas um quarto de polegada de espessura, é uma estufa de atividade molecular. Dezenas de caminhos longos e sinuosos transformam o pequeno dispositivo em uma pista de corrida molecular de 12 metros de comprimento, com íons que são controlados rigidamente por campos elétricos correndo em volta de uma pista de obstáculos oval.
Os “obstáculos” são outras moléculas conhecidas, como moléculas de hélio ou nitrogênio. À medida que os íons em estudo correm através do dispositivo SLIM, eles navegam ao redor ou através das outras moléculas, caindo e desviando como uma bola de futebol correndo de volta para os bloqueadores adversários. O termo “espectrometria de mobilidade iônica” realmente captura a ação.
Ao registrar quanto tempo leva para os íons completarem o percurso – quão habilmente eles navegam pelos íons bloqueadores – os cientistas aprendem todo tipo de coisas sobre a forma e o tamanho dos íons. Essa informação, que não está disponível em um instrumento de especificação de massa padrão, é combinada com dados sobre a massa do íon, carga elétrica e padrão de fragmentação. Ao todo, os dados fornecem a seção de choque de colisão do íon, sua fórmula molecular e seu padrão de fragmentação, propriedades que são essenciais para a compreensão da estrutura de uma molécula.
“Duas moléculas diferentes podem ter o mesmo número de átomos e a mesma massa e carga, mas podem ter estruturas e atividades muito diferentes. É aí que entra o SLIM para diferenciar”, disse Hollerbach. “Apenas uma pequena mudança pode significar a diferença entre uma molécula que indica uma doença e outra que não é.”
A chave para o experimento de Hollerbach foi fazer com que dois instrumentos diferentes tocassem bem juntos. Embora a espectrometria de massa padrão e a espectrometria de mobilidade iônica analisem íons, elas funcionam em diferentes escalas de tempo. Os íons fazem sua jornada pelo SLIM e chegam ao Orbitrap mais rápido do que podem ser processados.
Assim, Hollerbach recorreu a uma técnica antiga, implantando a “injeção de íons de dupla porta”. Ele adicionou portões para controlar a entrada de íons no sistema e para controlar sua chegada ao Orbitrap, optando por enviar alguns dos íons do SLIM para o esquecimento para manter o fluxo em uma taxa administrável.
“Realmente, as perguntas que fazemos são muito simples”, disse Hollerbach. “O que é isso e quanto tem? Mas as técnicas que usamos são complexas.”
Outro m/q os cientistas estão trabalhando em maneiras adicionais de identificar ou explorar moléculas desconhecidas. Alguns estão criando maneiras de usar dados como os do experimento de Hollerbach para prever a estrutura de um íon automaticamente, para que os fabricantes de remédios e outros cientistas saibam exatamente com o que estão trabalhando. Outros estão explorando as milhões de possibilidades de formas de compostos como o fentanil, separando o que é improvável do que pode aparecer na rua um dia. Em seguida, eles prevêem como esses compostos se comportariam dentro de um espectrômetro de massa – criando uma maneira de identificá-los se e quando eles aparecerem.
A obra descrita no Química Analítica papel foi financiado pelo m/q Iniciativa no PNNL. As medidas de espectrometria de massa foram feitas no EMSL, Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação usuária do DOE Office of Science no PNNL.
Além de Hollerbach e Metz, os autores do artigo do PNNL são Yehia M. Ibrahim, Vanessa Meras, Randolph V. Norheim, Adam P. Huntley, Robert G. Ewing e Richard D. Smith. Gordon Anderson, ex-PNNL, com GAA Custom Engineering LLC em Benton City também contribuiu.
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