基于傅里叶变换质谱技术研究生物分子结构动态变化

Determining the structure/conformation of protein is a key to understanding protein function and activity. Mass spectrometry has become a fast developing method in studying protein structures by measuring molecular masses and obtaining structural information using tandem mass spectrometry (MS/MS) and ion mobility mass spectrometry (IMMS). In this project, Fourier transform (FT) based mass analyzers technique was developed and optimized which does not require a dedicated mobility instrument and in principle in a single-collision to simultaneously obtain molecular masses and collision cross section (CCS) information. This method can avoid structural changes during the subsequent multiple collisions between ions and neutrals in the high-pressure region in IMMS instrument. Based on ion CCS measurement in FTMS, dynamic conformation of protein in electrospray ion (ESI) process from solution to gas phase will be monitored. Besides, the subtle differences in the stability afforded by binding of ligands to protein assemblies can be detected. This method is expected to be a complementary approach for the detection of the structure/conformation of protein.

研究生物分子的结构及其动态变化对于了解生物分子的功能具有重要意义。质谱技术可以获取丰富的离子一级结构信息，与离子迁移谱技术结合可以获得一定的构象信息，但是目前还没有较好的方法研究离子结构的动态变化。本项目拟通过深入探索傅里叶变换质谱内离子碰撞截面积测量方法，开发分子结构动态变化分析策略，将其应用于蛋白质构象变化及功能研究。为此，项目拟首先通过开发频谱拟合、希尔伯特变换等傅里叶变换质谱算法，精确提取离子高能碰撞截面积，实现对秒级离子结构变化的抓取。在此基础上，研究电喷雾离子化过程中蛋白分子构象的动态变化以及蛋白与配体相互作用构象的变化。不同于离子迁移谱技术，本方法只需一次激发就可实现全质量范围离子碰撞截面积的测量，而且可以避免离子在传输、高气压漂移过程中造成的结构变化等问题。该方法将提高质谱在结构分析方面的能力，为分子结构分析提供快速、互补的信息。

研究生物分子的结构及其动态变化对于了解生物分子的功能具有重要意义。质谱技术可以获取丰富的离子一级结构信息，与离子迁移谱结合可以获得一定的构象信息，但是目前还没有较好的方法研究离子结构的动态变化。碰撞截面积（CCS）测量方法的研究为实现大分子、大蛋白的结构测量提供了工具，也增强了质谱仪器对结构解析的能力。提高分子CCS的测量精度和大分子的分辨能力是将傅里叶变换质谱（FT-MS）应用于离子结构测量的重要一步。本项目通过开发基于频域的峰型拟合方法和基于时域的希尔伯特（Hilbert）变换算法。其中，基于频域的峰型拟合法在离子CCS测量方面显示出更高的分辨能力，并具有处理低信噪比和短采集周期的信号的能力；基于时域的Hilbert变换可以准确地提取离子瞬时运动频率和幅度，并通过获得的频率、幅度、衰减系数等重构频谱，具有提高质量分辨率的能力，同时从提取的时频曲线对离子-中性分子碰撞模型进行合理的选择，获得准确的离子CCS的信息。基于以上优化的算法，测定了血管紧张素I、缓激肽、泛素和细胞色素c的碰撞截面积CCS值，并与离子淌度谱得到的CCS作对比，获得了很好的一致性，且该优化方法提高了计算CCS的准确性。进一步，选择不同肽链长度、带电量不同的蛋白（Angiotensin, Bradykinin, Myoglobin, Cytochrome c 和 Insulin）以及环状短肽Somatostatin，研究不同冷却时间（cooling time）和施加不同CID能量对蛋白构象的影响，随着冷却时间和CID能量的增加，分子离子的碰撞截面积增大，离子结构逐渐展开直到最后达到稳定，实现了对分子离子动态构象的追踪。