Characterizing fundamental processes of biomolecular mass spectrometry  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
109006
Type K
Principal investigator Drahos, László
Title in Hungarian A biomolekuláris tömegspektrometria folyamatainak elméleti jellemzése
Title in English Characterizing fundamental processes of biomolecular mass spectrometry
Keywords in Hungarian tömegspektrometria, belsőenergia-eloszlás, aktiválási energia
Keywords in English mass spectrometry, internal energy distribution, activation energy
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Bazsó, Fanni Laura
Gömöry, Ágnes
Kéki, Sándor
Kuki, Ákos
Ludányi, Krisztina
Rokobné Révész, Ágnes
Starting date 2014-01-01
Closing date 2018-12-31
Funding (in million HUF) 27.880
FTE (full time equivalent) 9.70
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A biomolekuláris tömegspektrometria a bio- és az analitikai kémia egyik legdinamikusabban fejlődő ága. Ennek elméleti megalapozottsága, a széles körben alkalmazott gyakorlati megoldások ellenére viszonylag kezdetleges, ami a további fejlődést jelentős mértékben gátolja. A pályázat célja a tömegspektrometriai alapfolyamatok energetikai viszonyainak megismerése, különös tekintettel a peptidek és fehérjék belsőenergia-eloszlásainak meghatározására. Ennek ismerete jelentős mértékben segíti a tömegspektrometriás mérési technikák optimálását. A pályázat keretében tervezzük ezen elméleti paraméterek meghatározását ESI és MALDI ionizáció, valamint tandem tömegspektrometria esetén. A modellezéshez az általunk kifejlesztett, a tömegspektrum alapjelenségeit és a fragmentációs folyamatokat leíró „MassKinetics” programot alkalmazzuk és ennek továbbfejlesztésével határozzuk meg:
1) ionok belsőenergia-eloszlását és ennek megváltozását a kísérleti körülmények függvényében,
2) egyes modellvegyületek, így peptidek, polimerek tömegspektrometriás reakcióinak aktiválási paramétereit.

A pályázat keretén belül olyan új elveket és módszereket dolgozunk ki, melyek lehetővé teszik a fenti ismeretek gyakorlati alkalmazását. Elsődleges célunk nem egy adott módszer fejlesztése, hanem új szemléletmód és eszköztár bevezetése, amely alkalmas lehet a peptid/glikopeptid meghatározás érzékenységének és megbízhatóságának növelésére, a tömegspektrometriás vizsgálatok reprodukálhatóságának javítására és új nanokémiai alkalmazásokra. A cél nem egyedi analitikai módszerfejlesztés, hanem paradigma váltás: egy új eszköz kidolgozása a jövőbeni fejlesztésekhez.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A bio- és analitikai kémiai kutatások során a tömegspektrometria széles körben használt nagyműszeres technika. A ’state-of-the-art’ módszerek ellenére ezen technikák elvi alapjai csak részben ismertek. Az ionizációs módszerek és a fragmentációs reakciók nem kellő mélységű ismerete gátolja a módszerben rejlő lehetőségek teljes körű kiaknázását. Jelen pályázat elsődleges célja, hogy a bio- és analitikai kémiában alkalmazott tömegspektrometriás módszerek elvi alapjait vizsgáljuk, megértsük, majd ezeket az ismereteket felhasználva javítsuk a módszerek teljesítőképességét.

A tömegspektrumot meghatározó jellemzők közül a belső energia a legnehezebben meghatározható, de egyben a legfontosabb adat, amely a spektrumot alapvetően befolyásolja. A pályázat keretén belül új elméleti módszer kifejlesztését tervezzük a belsőenergia-eloszlás meghatározására, amelynek ismeretében kísérleti technikát dolgozunk ki biomolekulák, modellvegyületek aktiválási paramétereinek (aktiválási energia és entrópia) meghatározására. Ennek alapja a tömegspektrométerben lejátszódó folyamatok reakciókinetikai modellezése. Az aktiválási paraméterek kis molekulák esetén jól, biomolekulák esetén azonban alig ismertek.

Ezek megismerése új utat nyithat meg a jelenleg használt kísérleti technikák fejlesztésére: (1) Peptidek és proteinek azonosításának hatékonyságát nagymértékben növelhetjük a tandem tömegspektrumok energetikájának változtatásával. (2) A peptideknél rutinszerűen használt automatikus spektrumértékelést kiterjeszthetjük a glikoproteomika irányába. (3) Az ionoptikát zavaró tényezők figyelembe vételével növelhetjük a tömegspektrometria reprodukálhatóságát .

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A pályázat innovatív újdonsága a hatékonyság növelése az energetika (belsőenergia-eloszlás) figyelembevételével biomolekulák tömegspektrometriás vizsgálatai során. Ehhez speciális kísérletek és reakciókinetikai modellezés kombinációja szükséges. Az eredmények egyrészt bővítik alapismereteinket a peptid fragmentációról és az ionizációs módszerek mechanizmusáról, másrészről a megszerzett információk új utakat nyitnak meg a széles körben alkalmazott kísérleti módszerek fejlesztésére biomolekulák vizsgálatában és a proteomikában. A cél nem egyedi analitikai módszerfejlesztés, hanem paradigma váltás: egy új eszköz kidolgozása a jövőbeni fejlesztésekhez.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A biomolekuláris tömegspektrometria a bio- és az analitikai kémia egyik legfontosabb és legdinamikusabban fejlődő ága. Ennek elméleti megalapozottsága, a széles körben alkalmazott gyakorlati megoldások ellenére kezdetleges, ami a további fejlődést jelentős mértékben gátolja. A pályázat célja biomolekulák (peptidek, fehérjék) vizsgálatára alkalmazott tömegspektrometria alapjelenségeinek vizsgálata, megértése. Ennek során olyan információk birtokába jutunk, melyek lehetőséget biztosítanak a világ élvonalába tartozó bioanalitikai eljárások kifejlesztésére. Elsődleges célunk nem egy adott módszer fejlesztése, hanem új szemléletmód és eszköztár bevezetése. Ez lehetőséget nyit pl. új orvosbiológiai diagnoszikai eljárások megalkotására, melyek az életminőség javításában lehetnek kulcsfontosságúak.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Biomolecular mass spectrometry is among the fastest growing areas of analytical and biochemistry. While practical applications are flourishing, there are huge gaps in fundamentals. We got to the point where future developments are severely restricted by the lack of basic understanding. The aim of the present project is to study and understand fundamentals of mass spectrometry with emphasis on peptide and protein analysis. Focus of the present proposal is centered on the energetics in ESI and MALDI ionization and in tandem mass spectrometry. While it is widely known that energetics is key feature of these techniques, exploiting it for method development is not forthcoming. Lack of our basic understanding restricts rational experiment design, in particular in the field of proteomics.

The concept of the proposed method is based on our studies on mass spectrometric fragmentation (MassKinetics). We plan to determine
1) internal energy distributions using various experimental conditions; and
2) activation parameters (energy and entropy) of selected biomolecules

Information on internal energy distributions and activation parameters determined this way will be used to improve experimental methodologies (e.g. identification of peptides and glycopeptides by varying energetics of tandem mass spectra; improving reproducibility by taking into account minor variations in experimental conditions; and extending analytical capabilities to nanomaterials). The major aim is not to optimize a given workflow in minute detail, but to provide new concepts and tools to be utilized in future applications.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Advanced mass spectrometric techniques are widely used in biochemistry and analytical chemistry. In spite of using state-of-the-art methodologies, fundamentals of these techniques are only vaguely understood. Incomplete understanding of e.g. ionization techniques or fragmentation reactions limits our capability to use these techniques to their full potential. The primary aim of the present project is to understand energetic aspects of currently used mass spectrometric methods in detail, and utilize this knowledge to improve their analytical capabilities.

Probably the most important, and at the same time one of the most elusive property determining mass spectra is the internal energy. We shall develop novel theoretical approaches to determine internal energy distributions. Knowing the internal energy distribution, specialized mass spectrometric experimental techniques will be used to determine activation parameters (activation energy and entropy) in model systems, relevant to biomolecular applications. This will rely on detailed modelling of reaction kinetics occurring in the mass spectrometer. While this information is often well known for small systems, for biomolecules such information barely exists.

The knowledge gained this way will open new directions for improving currently used experimental methodologies, in particular in the proteomics field. We foresee (1) improved success rate of peptide/protein identification by varying energetics of tandem mass spectra; (2) expanding analytical capabilities to glycopeptides (glycosylation pattern analysis); and (3) improving reproducibility of mass spectrometry by taking into account minor variations in ion optics.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The main innovative aspect is to improve mass spectrometric analysis of biomolecules by considering energetics, in particular internal energy distributions. This approach requires combination of special experimental techniques and reaction kinetic modeling. The results will improve our basic understanding of peptide fragmentation and of the mechanism of ionization techniques. The knowledge gained will open new directions to improve widely used experimental procedures in biomolecular analysis and proteomics. The aim is not to optimize workflow in minute details, but to provide a new concept/paradigm and a tool to play with in future applications.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Biomolecular mass spectrometry is among the fastest growing areas of analytical and biochemistry. While practical applications are flourishing, there are large gaps in fundamentals. The aim of the present project is to study and understand fundamentals of mass spectrometry with emphasis on peptide and protein analysis. The knowledge gained this way will make it possible to develop ‘state-of-the-art’ bioanalytical methodologies and expand experimental capabilities. The major aim is not to optimize workflow in minute details, but to provide new concepts and tools to be utilized in future applications. To quote one example, new diagnostic approaches may be developed for medical applications, which could contribute to improve the of quality of life.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatási projektben olyan új elméleti módszereket dolgoztunk ki és használtunk fel, amelyek a biomolekuláris tömegspektrometriában használatos tandem tömegspektrometriás kísérleteket írják le. A kidolgozott elméleti megközelítések és gyakorlati módszerek a fragmentációs folyamatok energetikai viszonyaira épülnek, amely a tömegspektrometria alapú peptid / fehérje szekvenálás alapját képezi. Ez az (energetika alapú) megközelítés a vezető kutató elméleti tömegspektrometria területén szerzett tapasztalatára (a MassKinetics modellre) épül. A pályázat célkitűzése ennek a modellnek a makromolekulákra, különösen a proteomika irányába való kiterjesztése. Sikeresen meghatároztuk a makromolekulák vizsgálatára alkalmas ionizációs módszerek (ESI és MALDI) energetikai viszonyait és jellemeztük a peptidek MS / MS fragmentációját. Mindez jó elméleti hátteret biztosít a tömegspektrometria alapú proteomikai kísérletek leírására. Ennek a felfedező kutatásnak az eredményeit az innováció kiindulópontjaként használtuk fel: Elméleti modelljeink segítségével azonosítottunk a jelenleg használt tömegspektrometriás és proteomikai munkafolyamatok kritikus pontjait, és új kísérleti stratégiákat terveztünk azok javítására. Ezeket a stratégiákat gyakorlati munkafolyamatokba is beépítettük, így a „state-of-art”-on túlmutató, jelentős versenyelőnyt nyújtó módszereket fejlesztettünk ki.
Results in English
In the present project we have developed and applied novel theoretical approaches to describe mass spectrometry experiments commonly used in biomolecular mass spectrometry. Most of these relate to the energetics of fragmentation, which is the basis of peptide/protein sequencing using mass spectrometry. This approach was based on the principal investigator’s experience in fundamental mass spectrometry of small molecules (the MassKinetics model). We have successfully extended this model to macromolecules (especially towards proteomics): We have developed theoretical description of ionization methods used for macromolecular studies (ESI and MALDI) and also for the MS/MS fragmentation of peptides. This way we have obtained a good theoretical background of various methodologies used in proteomics workflows. These fundamental studies were used as a starting point to innovation: Using our theoretical models we have identified weak points in current mainstream mass spectrometry and proteomics workflows, and designed new experimental strategies to improve them. We use these improvements in practical workflows, extending our studies beyond the state of art; and gaining a competitive advantage both in research and in industrial collaborations.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109006
Decision
Yes





 

List of publications

  
Ágnes Révész, Tibor András Rokob, Dany Jeanne Dit Fouque, Lilla Turiák, Antony Memboeuf, Károly Vékey, László Drahos: Selection of collision energies in proteomics mass spectrometry experiments for best peptide identification: study of Mascot score energy dependence reveals double optimum, Journal of Proteome Research 17, 1898-1906, 2018
Bazso FL, Ozohanics O, Schlosser G, Ludanyi K, Vekey K, Drahos L: Quantitative Comparison of Tandem Mass Spectra Obtained on Various Instruments, J AM SOC MASS SPECTR 27: (8) 1357-1365, 2016
Tóth E., Hevér H., Ozohanics O., Telekes A., Vékey K., Drahos L.: Simple correction improving long-term reproducibility of HPLC-MS, J Mass Spectrom 50, 10 1130-1135, 2015
Acs. A,; Ozohanics O. ,Vekey K., Drahos L., Turiak, L.: Distinguishing Core and Antenna Fucosylated Glycopeptides Based on Low-Energy Tandem Mass Spectra, Anal. Chem. 90, 12776-12782, 2018
Rondeau D, Drahos L, Vekey K: Internal energy distribution in electrospray ionization: Towards the evaluation of a thermal-like distribution from the multiple-collision model, RAPID COMMUN MASS SP 28: (11) 1273-1284, 2014
Turiák, Lilla; Ozohanics, Oliver; Tóth, Gábor; Ács, András; Révész, Ágnes; Vékey, Károly; Telekes, András; Drahos, László: High sensitivity proteomics of prostate cancer tissue microarrays to discriminate between healthy and cancerous tissue, Journal of Proteomics doi: 10.1016/j.jprot.2018.11.009. [Epub ahead of print], 2018
Rondeau D, Drahos L, Vekey K: Internal energy distribution in electrospray ionization: Towards the evaluation of a thermal-like distribution from the multiple-collision model, RAPID COMMUN MASS SP 28: (11) 1273-1284, 2014
Tóth Eszter, Hevér Helga, Ozohanics Oliver, Telekes András, Vékey Károly, Drahos László: Simple correction improving long-term reproducibility of HPLC-MS, J MASS SPECTROM 50: (10) 1130-1135, 2015
Hevér H., Tóth E, Ozohanics O., Telekes A., Vékey K., Drahos L.: Correcting Long-term Drifts in HPLC-MS, 10th Balaton Symposium, Sept 2-4, 2015, Siófok, Hungary, 2015
Bazso FL, Ozohanics O, Schlosser G, Ludanyi K, Vekey K, Drahos L: Quantitative Comparison of Tandem Mass Spectra Obtained on Various Instruments, J AM SOC MASS SPECTR 27: (8) 1357-1365, 2016
Bazso FL, Ozohanics O, Schlosser G, Ludanyi K, Vekey K, Drahos L: Quantitative Comparison of Tandem Mass Spectra Obtained on Various Instruments, 34th IMMS Books of Abstracts, 2016
Ágnes Révész, Tibor András Rokob, Dany Jeanne Dit Fouque, Lilla Turiák, Antony Memboeuf, Károly Vékey, László Drahos: Selection of collision energies in proteomics mass spectrometry experiments for best peptide identification: study of Mascot score energy dependence reveals double optimu, Journal of Proteome Research (under review), 2019
Turiák, Lilla; Ozohanics, Oliver; Tóth, Gábor; Ács, András; Révész, Ágnes; Vékey, Károly; Telekes, András; Drahos, László: High sensitivity proteomics of prostate cancer tissue microarrays to discriminate between healthy and cancerous tissue, Journal of Proteome Research (Under review), 2019
Ágnes Révész, Tibor András Rokob, Dany Jeanne Dit Fouque, Lilla Turiák, Antony Memboeuf, Károly Vékey and László Drahos: Selection of Collision Energies in Tandem Mass Spectrometry Based Proteomics, 12th Central and Eastern European Proteomic Conference, Bucharest, Romania, 2018
Ágnes Révész, Tibor András Rokob, Dany Jeanne Dit Fouque*, Lilla Turiák, Antony Memboeuf,* Károly Vékey and László Drahos: Tuning Mass Spectrometric Proteomics Experiments: Collision Energy Dependence of Mascot Score, 22nd INTERNATIONAL MASS SPECTROMETRY CONFERENCE (IMSC), Florence, Italy, 2018
Károly Vékey, Fanni Bazsó, Ágnes Gömöry, Oliver Ozohanics, Lilla Turiák, László Drahos: Energy resolved MS/MS of Leucin Enkephalin, 34th IMMS, Fiera di Primiero, Italy, 2016




 

Events of the project

  
2015-08-11 18:51:59
Résztvevők változása
2015-02-24 15:48:21
Résztvevők változása



Back »