清华精仪系团队实现高分辨生物分子异构体分析研究

研究背景与成果

生物分子的结构解析与相关生物学功能的关联研究已成为现今生命科学的前沿。生物分子存在多级结构，而其结构复杂度的一个重要因素为分子异构。不同的异构分子（Isomers and isoforms）具有相同的化学式和分子量，但化学结构不同。例如，单糖存在多种异构体，包括葡萄糖、果糖、半乳糖等；多糖由单糖两两通过糖苷键相互连接组成，导致出现更为复杂的构造异构（分子中原子或原子团互相连接次序不同，Structural or constitutional isomers）和立体异构现象（连 接 次 序 相 同 但 空 间 排 列 不 同，Spatial isomers or stereoisomers）。

离子迁移（Ion mobility, IM）与质谱（Mass spectrometry, MS）联用（IM-MS）分析已经发展为生物分子特别是生物大分子结构解析的一种主要手段，并成为质谱仪器发展的主要方向。IM可以区分MS不能区分的异构体或同重素（Isobars），这一独到的特性对生物分子的结构解析研究十分关键，近年来被广泛用于糖结构、脂质结构、蛋白质结构和活性、蛋白质-分子相互作用等研究中。近年来，多种IM 分析方法被纷纷提出，例如迁移时间 DTIMS （Drift time ion mobility spectrometry）、囚禁式 TIMS（Trapped ion mobility spectrometry）、行波 TWIMS（Travelling wave ion mobility spectrometry） 以及非对称场 FAIMS（Field asymmetric ion mobility spectrometry）等。然而，这些技术均基于低E/N场原理（E/N < 30 Td，E代表电场场强，N代表中性气体数密度，Td是Townsend数），分离分辨率一般在40-200，不足以解决目前生物分子异构体解析研究的迫切需求。

图1. 离子云扫描分析技术的仪器设置、原理和性能表征。（a）Mini β质谱仪器系统。（b）实验装置示意图。（c）离子云扫描技术原理。强迫振动下的两种异构体离子（紫色和蓝色）的离子轨迹。（d）获得的离子云扫描谱图。

针对以上难题，清华大学精密仪器系生物医学仪器与应用研究团队向高E/N场寻求突破离子迁移分析低分辨率的局限，提出一种超高场离子云扫描技术，并在Mini β质谱仪器系统（PURSPEC科技(北京)有限公司）上实现迁移分辨率超过10,000的高分辨IM分析，提升较现有技术水平一个数量级以上（图1）。超高场离子云扫描技术采用强迫振荡的物理原理，在超高场（约1×105 Td）条件下实现异构体离子的离子云分离，通过扫描激发振荡电压可以获得异构体离子的高分辨IM谱图。

成果优势

利用高场离子云扫描分析技术，对四种二糖异构体 （海藻糖、麦芽糖、纤维二糖和乳糖，图2a）开展了结构分析（图2b），并对乳糖和纤维二糖的混合物进行了离子云扫描分析（图2c），并与传统串联质谱分析（图2d）结果对比。从图2d可见，乳糖和纤维二糖具有到相同的碎裂模式，无法通过串联质谱技术加以区分。但这两种异构体可以通过离子云扫描实现完全分离（图2c）。此外，离子云扫描分析技术也展现出优异的定量分析特性（图2e和2f）。

图2. 二糖异构体分析。（a）四种二糖异构体及其（b）离子云扫描谱图。乳糖和纤维二糖混合物的（c）离子云扫描谱图和（d）串级质谱分析谱图。（e）两种二糖标准品及（f）混合物的定量分析结果。

离子云扫描技术对各类生物分子异构体具有普遍适用性。如图3所示，该技术同样可分辨脂质和多肽分子异构体。研究工作中，离子云扫描方法展现出多种优点，如分析部件结构简单、操作方便、具有强大的时间/空间串级质谱能力等，可以方便地与多类质量分析器联用，用于设计混合型串联分析质谱仪器，在生物分子复杂结构解析上展现出较好的应用前景。

图3. 脂质与多肽异构体分析。（a）脂质异构方式示意图。各种脂质异构体的离子云扫描谱图：（b）sn异构、（c）碳碳双键位置异构和（d）双键顺反异构。（e）多肽的不同翻译后修饰类型及其异构方式示意图。不同翻译后修饰类型的多肽异构体离子云扫描谱图：（f）甲基化、（g）乙酰化和（h）磷酸化。

本研究由国家自然科学基金项目和清华大学精准医学科研项目资助。论文第一作者为清华大学精仪系周晓煜副教授，通讯作者为欧阳证教授，其他作者还包括精仪系博士生王卓凡和范菁津，第一完成单位为清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室。这项研究也得到了清华大学化学系瑕瑜教授、精仪系马潇潇副教授与张文鹏助理教授的大力帮助。