Омиксные технологии и масс-спектрометрия
Создан уникальный аналитический прибор
Омиксные технологии — набор современных методов, с помощью которых можно изучать разнообразные классы биологических молекул и их взаимодействие друг с другом на основе знаний о геноме организма, в котором молекулы присутствуют. Эти технологии открывают принципиально новые горизонты в медицине, биотехнологиях и фундаментальной биологической науке, позволяя глубже понимать механизмы возникновения и развития заболеваний, а также находить эффективные способы их профилактики и лечения.
Член-корреспондент РАН, профессор Евгений Николаев, директор Проектного центра омиксных технологий и передовой масс-спектрометрии Сколтеха
Фото: Тимур Сабиров, Сколтех
Член-корреспондент РАН, профессор Евгений Николаев, директор Проектного центра омиксных технологий и передовой масс-спектрометрии Сколтеха
Фото: Тимур Сабиров, Сколтех
В материале для «Ъ-Науки» член-корреспондент РАН, профессор Евгений Николаев, директор Проектного центра омиксных технологий и передовой масс-спектрометрии Сколтеха, рассказал о том, как появились эти технологии, как с ними связаны методы масс-спектрометрии и как его центр разработал уникальный отечественный масс-спектрометр, у которого нет аналогов в мире.
Термин «омикс» берет свое начало из геномики. В последние годы он стал применяться для описания результатов и методов исследования других классов биологических молекул. Геном представляет собой полный набор генетической информации организма, а омиксные технологии — это технологии исследования других классов биологических молекул на основе знаний, получаемых в геномике, таких как РНК (транскриптомика), белки (протеомика), метаболиты — продукты работы «молекулярных машин» — белков (метаболом), липиды (липидом) и даже продукты взаимодействия с окружающей средой, которые стали называть экспозомом (от слова «экспонировать»).
Наиболее значимые практические приложения относятся к сфере здравоохранения, особенно в диагностике болезней посредством выявления специфических биомаркеров. Например, профилирование метаболитов (низкомолекулярные вещества, присутствующие в биологических жидкостях: крови, моче, слюне, поте и слезах) позволяет отслеживать состояние здоровья пациента. Благодаря использованию алгоритмов машинного обучения и анализу больших данных выявляются закономерности между составом метаболитов и различными заболеваниями или нарушениями функций организма.
Метаболомика отличается высокой динамичностью и восприимчивостью к внешним факторам: изменения в составе метаболитов зависят от диеты, сна, физической активности и стресса. Это делает ее менее стабильной основой для диагностики хронических заболеваний. Напротив, протеомика — область биологии, изучающая совокупность всех белков (протеом), содержащихся в клетках, тканях и биологических жидкостях,— отражает более долгосрочные изменения, происходящие в течение нескольких месяцев или лет, и поэтому является ценным инструментом для мониторинга устойчивых изменений состояния здоровья.
Основным методом исследований в омиксных технологиях является масс-спектрометрия, позволяющая идентифицировать молекулы путем точного измерения их масс и масс продуктов их распада, вызываемого различными физическими методами, и измерения количества отдельных молекул в сложных биологических смесях. Помимо этого активно разрабатываются альтернативные подходы, известные как аффинные методы. Например, пытаются использовать для идентификации белковых молекул аптамеры — синтетические нуклеотиды, способные избирательно связываться с определенными белками, используются для обнаружения конкретных целевых соединений. Другой перспективный подход основан на применении антител, к которым присоединяются цепи ДНК, содержащие комплементарные концы для связывания двух антител, прикрепляющихся к одной идентифицируемой молекуле белка и усиливающие сигнал при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Используя перечисленные методики, ученые добились значительных успехов в диагностике сложных заболеваний. Например, стало возможно обнаруживать ранние признаки болезни Альцгеймера путем почти неинвазивного анализа состава плазмы крови, а не только спинномозговой жидкости, как делается в настоящее время. Аналогичные разработки ведутся и в отношении сердечно-сосудистых и почечных патологий, а также онкологических заболеваний.
Макеты масс-спектрометров на основе ловушек Кингдона в Лаборатории омиксных технологий и больших данных для персонализированной медицины и здоровья Сколтеха
Фото: Тимур Сабиров, Сколтех
Макеты масс-спектрометров на основе ловушек Кингдона в Лаборатории омиксных технологий и больших данных для персонализированной медицины и здоровья Сколтеха
Фото: Тимур Сабиров, Сколтех
Методу масс-спектрометрии более 100 лет. Работу современного масс-спектрометра можно описать через несколько этапов. На первом этапе нейтральные молекулы или атомы анализируемого образца превращаются в заряженные частицы (ионы) — этот процесс называется ионизацией. Для больших биологических молекул используются в основном методы, открытые в 80-е годы прошлого столетия,— электроспрей и лазерная десорбция ионизация. За открытие этих методов в 2002 году была присуждена Нобелевская премия.
В электроспрее раствор анализируемых веществ распыляется в сильном электрическом поле, в котором происходит образование заряженных капель с последующим испарением растворителя и осаждением заряда на анализируемых молекулах без их разрушения, а во втором методе ионизация происходит за счет ионизации молекул матрицы, в которой растворяются анализируемые вещества, и передачи образующихся в матрице зарядов на молекулы аналита.
Затем образовавшиеся ионы направляются в масс-анализатор, где они сортируются по отношению массы к их заряду.
На третьем этапе разделенные по массам ионы регистрируются специальным детектором, сигнал от которого записывается в виде спектра — зависимости интенсивности (пропорциональной количеству ионов) от массы. Каждый пик спектра соответствует отдельной молекуле или фрагменту, находящемуся в пробе.
Наша лаборатория в Сколтехе ведет активную работу над созданием новых масс-спектрометрических приборов и методик. Еще в 2010 году мы разработали модификацию масс-спектрометра, измеряющего массы по частотам вращения ионизированных молекул в сильных магнитных полях (масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса).
Мы представили электромагнитную измерительную «ионную ловушку», которая позволяет добиться максимальной точности в случае ультравысоких магнитных полей. Эта ловушка используется сейчас в серийно выпускаемых фирмой «Брукер» приборах с самой высокой разрешающей способностью (способностью разделить близкие по массам молекулы). Она также установлена в самом «мощном» в мире масс-спектрометре в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси (США) с напряженностью магнитного поля в 21 тесла.
Ионная ловушка — это разновидность масс-анализатора, применяемого в масс-спектрометрии для анализа ионов по массам. Основная задача ионной ловушки заключается в улавливании и фокусировке ионов внутри ограниченного пространства, называемого измерительной ячейкой, и последующем их анализе по массе. В случае масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса она представляет собой совокупность цилиндрических электродов, внутри которой создаются электрические и магнитные поля, в которых вращаются ионы исследуемого вещества. По частотам вращения ионов можно определить их точную массу.
В 2016 году мы создали макет ионной ловушки без магнитного поля, который продемонстрировал возможность получать разрешающую способность, близкую к разрешающей способности масс-спектрометров ионного циклотронного резонанса. Эту ловушку мы назвали многоэлектродной гармонизированной ловушкой Кингдона.
В 2022 году по предложению Министерства образования и науки было принято решение создать на основе разработанного в Сколтехе макета прибора серийно выпускаемый масс-спектрометр для анализа газообразных и летучих соединений в различных сферах применения. В августе 2025 года совместно с коллегами из МФТИ мы завершили разработку нового масс-спектрометра, который построен на уникальном принципе и не имеет аналогов по конструкции как в России, так и в мире.
Созданный прибор функционирует на принципе, ключевым элементом которого выступает масс-анализатор, основанный на многоэлектродной гармонической ловушке Кингдона. Эта технология способна послужить прототипом для целого ряда аналогичных устройств. Первым представителем стал газоанализатор нового типа, предназначенный для анализа летучих органических веществ, малолетучих органических соединений и газообразных неорганических элементов.
Работа масс-анализатора основана на определении массы ионов, удерживаемых в ловушке, путем измерения сигнала, возникающего на электродах детекторов от осциллирующего в ловушке пакета ионов. Этот аппарат относится к классу масс-спектрометров с использованием преобразования Фурье, где масса ионов определяется не прямым пространственным или временным разделением, а одновременным считыванием сигнала от всего набора ионов.
Новый российский прибор превосходит зарубежные аналоги своей компактностью и значительно меньшей стоимостью при сохранении аналогичных технических характеристик. Совместный проект МФТИ и Сколтеха был запущен в 2022 году и успешно завершился в августе 2025-го. Опытный экземпляр прошел первичное тестирование и теперь готовится к государственной приемке. Полноценное внедрение устройства в промышленное производство запланировано в ближайшие два года, а значит, уже к сентябрю 2027 года отечественный масс-спектрометр станет доступен для массового выпуска и продажи.
Разработанный и созданный нами масс-анализатор может применяться в составе рассматриваемого масс-спектрометра либо иных устройств для решения широкого круга задач не только в медицине, но и в нефтепереработке, токсикологических экспертизах, обнаружении наркотиков, мониторинге качества сельхозпродукции, анализе водных ресурсов и прочих направлениях.