Les chimistes à la recherche des 99 % restants

Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l'énergie s'attaquent aux 99 % restants, en créant de nouveaux moyens d'en savoir plus sur une vaste mer de composés inconnus. Il peut s'agir de remèdes à des maladies, de nouvelles approches pour lutter contre le changement climatique ou de nouvelles menaces chimiques ou biologiques qui se cachent dans l'univers de la chimie.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une initiative connue sous le nom de m/q ou "m over q" (masse divisée par charge), qui désigne l'un des moyens utilisés par les scientifiques pour mesurer les propriétés chimiques dans le monde de la spectrométrie de masse.

À l'heure actuelle, nous pouvons prélever un échantillon de sol qui, selon le type de sol, peut contenir des milliers de composés chimiques dans une seule cuillère à café", explique Thomas Metz, qui dirige l'initiative m/q . "Et nous ne savons pas ce que nous pouvons faire, ni ce que nous pouvons faire. "Et nous ne connaissons pas la structure chimique de la plupart d'entre eux. Nous n'avons tout simplement aucune idée de ce qu'il y a là-dedans".

Les scientifiques s'appuient généralement sur des bibliothèques de référence contenant des informations sur des milliers de molécules pour identifier les substances. Les chercheurs trient leurs échantillons de sol, de corps ou autres et comparent ce qu'ils ont mesuré expérimentalement à ce qui se trouve dans la bibliothèque. Cette méthode est certes utile, mais elle limite les scientifiques à l'identification structurelle de molécules qui ont déjà été observées, par exemple par l'analyse de composés standard achetés auprès de fournisseurs de produits chimiques.

Les scientifiques de m/q s'attaquent aux 99 % restants qui n'ont pas encore été identifiés.

L'équipe dirigée par le scientifique Adam Hollerbach a combiné deux instruments à haute résolution en un seul système pour déterminer la taille des molécules avec un niveau de détail sans précédent. Les résultats ont été publiés en ligne le 12 juin dans la revue Analytical Chemistry.

Désormais, les scientifiques peuvent effectuer plusieurs mesures importantes sur les composés chimiques au cours d'une seule expérience, ce qui leur permet d'obtenir des informations importantes plus rapidement, plus commodément et avec plus de précision qu'auparavant.

La technique de Hollerbach s'applique aux ions, c'est-à-dire aux molécules qui ont une charge positive ou négative. Cela les rend plus faciles à contrôler et à détecter à l'aide de la spectrométrie de masse.

La spectrométrie de masse : l'outil des chuchoteurs d'ions

Tout comme les personnes qui les étudient, les ions présentent de nombreuses caractéristiques qui les distinguent les uns des autres. Chez les personnes, le poids, la couleur des cheveux, la taille, la forme, la couleur des yeux et bien d'autres caractéristiques nous permettent de savoir qui est qui. Pour les ions, les caractéristiques d'identification comprennent la masse, la forme, la taille, la charge électrique et la composition chimique. Ces caractéristiques servent non seulement d'identificateurs, mais aussi de guides sur le comportement des molécules associées - des indices sur leur potentiel à guérir des maladies ou à absorber des polluants, par exemple.

Cette compréhension devrait faciliter les efforts de nombreux scientifiques du PNNL qui s'efforcent de comprendre l'effet des microbes sur le climat. Les microbes jouent un rôle clé dans la transformation d'éléments tels que le carbone en d'autres formes importantes pour la planète. Leur impact sur le réchauffement ou le refroidissement de la planète est considérable. Mais les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre.

"Il peut y avoir des millions de microbes dans un seul gramme de sol, et nous ne savons pas qui sont la plupart d'entre eux ni ce qu'ils font. Il reste encore beaucoup de découvertes à faire", a déclaré M. Metz. "Du point de vue des défis scientifiques, il s'agit soit d'un scénario catastrophe, soit de l'une de nos plus grandes opportunités, selon le point de vue que l'on adopte.

Les scientifiques dem/q saisissent cette opportunité. Au lieu de formuler leurs questions en fonction du nombre relativement restreint de composés qui peuvent être identifiés par les mesures conventionnelles de spectrométrie de masse, ils essaient de dépasser les limites actuelles et de créer une toute nouvelle façon d'identifier ce qui est inconnu aujourd'hui. C'est un peu comme lorsqu'un nouveau télescope est déployé et qu'il révèle plusieurs étoiles distinctes alors qu'auparavant, seul un ensemble flou de corps célestes était visible.

Le travail est à la fois expérimental, les molécules étant mises à l'épreuve en laboratoire, et informatique, les scientifiques modélisant ce qu'ils voient et prédisant ce qu'ils verront probablement.

Dans les expériences décrites dans l'article sur la chimie analytique, Hollerbach et ses collègues ont effectué des mesures sensibles de peptides et de lipides. Les expériences ont combiné deux instruments aux noms similaires mais qui fournissent des détails différents sur les ions. Tous deux sont utilisés en spectrométrie de masse, un domaine dont l'histoire est étroitement liée aux découvertes des scientifiques du PNNL.

Le premier instrument est un spectromètre de masse, qui mesure la masse d'un ion, sa charge électrique et la manière dont il se sépare. Dans cette étude, l'équipe a utilisé un Orbitrap développé par Thermo-Fisher Scientific. Ces instruments trient bien les molécules de masses différentes, mais deux molécules de même masse sont difficiles à séparer. Imaginez deux personnes pesant chacune 180 livres : l'une est grande et mince, tandis que l'autre est petite et trapue. Sur une balance, il serait impossible de les séparer.

Une approche SLIM : la spectrométrie de mobilité ionique donne des résultats impressionnants

Le second instrument est connu sous le nom de SLIM : Structures for Lossless Ion Manipulations (structures pour des manipulations d'ions sans perte). SLIM, créé par Richard D. Smith et ses collègues du PNNL, est un spectromètre de mobilité ionique qui mesure la taille et la charge électrique d'un ion.

SLIM, qui a la taille d'un ordinateur portable et ne mesure qu'un quart de pouce d'épaisseur, est un véritable foyer d'activité moléculaire. Des dizaines de chemins longs et sinueux transforment le petit appareil en une piste de course moléculaire de 2,5 mètres de long, où les ions, étroitement contrôlés par des champs électriques, tournent sans cesse autour d'un parcours d'obstacles ovale.

Les "obstacles" sont d'autres molécules connues, telles que des molécules d'hélium ou d'azote. Au cours de leur course dans le dispositif SLIM, les ions étudiés contournent ou traversent les autres molécules, faisant des culbutes et des embardées, un peu comme un joueur de football court à travers et autour des bloqueurs adverses. Le terme "spectrométrie de mobilité ionique" rend bien compte de l'action.

En enregistrant le temps que mettent les ions à terminer leur parcours - c'est-à-dire la manière dont ils traversent habilement les ions bloquants - les scientifiques apprennent toutes sortes de choses sur la forme et la taille des ions. Ces informations, qui ne sont pas disponibles avec un instrument de spectrométrie de masse standard, sont combinées avec les données relatives à la masse de l'ion, à sa charge électrique et à son schéma de fragmentation. L'ensemble de ces données permet d'obtenir la section efficace de collision de l'ion, sa formule moléculaire et son schéma de fragmentation, des propriétés essentielles pour comprendre la structure d'une molécule.

"Deux molécules différentes peuvent avoir le même nombre d'atomes, la même masse et la même charge, mais leur structure et leur activité peuvent être très différentes. C'est là que SLIM intervient pour faire la différence", a déclaré M. Hollerbach. "Un seul petit changement peut faire la différence entre une molécule révélatrice d'une maladie et une autre qui ne l'est pas.

La clé de l'expérience de M. Hollerbach a été de faire en sorte que les deux instruments différents fonctionnent bien ensemble. Si la spectrométrie de masse standard et la spectrométrie de mobilité ionique analysent toutes deux les ions, elles travaillent à des échelles de temps différentes. Les ions traversent le SLIM et arrivent à l'Orbitrap plus rapidement qu'ils ne peuvent être traités.

Hollerbach s'est donc inspiré d'une ancienne technique, en déployant une "injection d'ions à double porte". Il a ajouté des portes pour contrôler l'entrée des ions dans le système et leur arrivée à l'Orbitrap, choisissant d'envoyer certains des ions du SLIM dans l'oubli pour maintenir le flux à un taux gérable.

"En réalité, les questions que nous posons sont très simples", a déclaré Hollerbach. "Qu'est-ce que c'est, et combien y en a-t-il ? Mais les techniques que nous utilisons sont complexes.

D'autres scientifiques de m/q travaillent sur d'autres moyens d'identifier ou d'exploiter des molécules inconnues. Certains créent des moyens d'utiliser des données telles que celles de l'expérience de Hollerbach pour prédire automatiquement la structure d'un ion, afin que les fabricants de médicaments et autres scientifiques sachent exactement avec quoi ils travaillent. D'autres étudient les millions de possibilités de formes de composés tels que le fentanyl, en triant ce qui est improbable de ce qui pourrait apparaître dans la rue un jour. Ils prédisent ensuite comment ces composés se comporteraient dans un spectromètre de masse, créant ainsi un moyen de les identifier si et quand ils apparaissent.