Projet ANR-10-BLAN-0730 – FT-ICR 2D : Spectrométrie de Masse à transformée de Fourier (FT-ICR): acquisition  et traitements de données bi et multidimensionnelle pour l'obtention rapide et parallèle de l'ensemble des spectres MS/MS d'un spectre MS
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie :  Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Christian Rolando (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE NORD-PAS-DE-CALAIS ET PICARDIE)
Partenaires : Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire; Miniaturisation pour la Synthèse, l'Analyse et la Protéomique; NMRTEC; École normale supérieure de Paris; Université Pierre et Marie Curie
Montant : 390000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Spectrométrie de Masse à transformée de Fourier (FT-ICR): acquisition et traitements de données bi- et multidimensionnelle pour l'obtention parallèle de l'ensemble des spectres MS/MS d'un spectre MSLa FT-ICR/MS 2D n'est pas encore devenue une méthode viable d’analyse chimique, mais est très prometteuse et est améliorable en explorant les méthodes développées pour la spectroscopie RMN 2D. En effet les progrès technologiques en informatique permettent d'appliquer les méthodes développées pour des données de taille relativement faibles de RMN 2D à la spectrométrie de masse afin d'obtenir spectres de masse 2D qui peuvent fournir des informations structurelles sur des échantillons complexes.
Ce projet vise de nouvelles méthodes bidimensionnelles pour la spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique afin d'améliorer l'analyse structurale d’échantillons complexes.La spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique (FT-ICR MS) fournit une haute résolution et une grande précision de masse, ce qui permet l'identification de la formule chimique brute des ions dans des échantillons complexes. En utilisant l'isolement et la fragmentation d'ions (MS / MS), nous pouvons obtenir plus d'informations structurelles, mais les techniques MS/MS sont consommatrices de temps et d’échantillon parce que chaque ion doit être isolé avant la fragmentation. En 1987, Pfändler et al. ont proposé une expérience de FT-ICR MS à deux dimensions afin de fragmenter les  ions sans les isoler et de visualiser les fragmentations d'échantillons complexes dans un spectre de masse bidimensionnel unique, comme la RMN 2D. En raison des limitations de l'électronique et des ordinateurs, peu d'études ont été réalisées avec cette technique. Grâce à l'amélioration des ordinateurs modernes et l'utilisation de l'électronique numérique sur les spectromètres FT-ICR récents, il est désormais possible d'acquérir des spectres de masse 2D sur une large plage de masse. L’expérience originale a utilisé la dissociation CID (dissociation induite par collision) dans la cellule ce qui a causé une perte de résolution. Les modes de fragmentation sans gaz comme l’IRMPD et l’ECD permettent de mesurer à haute résolution des spectres de masse 2D. Par conséquent, il ya un regain d'intérêt pour amener les techniques 2D FT-ICR MS à devenir une méthode efficace d'analyse. Les améliorations apportées dans les RMN 2D peuvent également être transposées à la 2D FT-ICR MS.
Échantillons, configuration instrumentale et  traitement des donnéesDans cette étude, toutes les impulsions sont identiques en amplitude et en fréquence. Elles sont produites par le générateur d'impulsions Apex (Bruker, Brême, Allemagne). L’atténuation de l’amplitude des impulsions est de 7,0 dB (c.-à-identique à l'atténuation par défaut des impulsions d'excitation). Pour la substance P, la durée d'impulsion est de 1,0 us par fréquence (la durée d'impulsion par défaut d'excitation est de 20,0 us par fréquence). Pour chaque expérience, la liste des fréquences a un incrément de 2,0 kHz.Pour la substance P, le retard entre les deux premières impulsions de radiofréquence d'excitation varie avec un incrément de 1,0 us, correspondant à une fréquence de Nyquist de 500 kHz et une gamme de masse 288,724 - 1500,000 m/z dans la dimension verticale. Pour les trois expériences, 2048 transitoires avec un l’incrément de temps décrit précédemment ont été enregistrées, ce qui conduit à un temps d'expérience de 71 min. La longueur des signaux transitoires enregistrées pour chaque expérience est  65536 points, ce qui est relativement court pour des expériences FT-ICR MS. Ce choix a été imposé par des considérations de traitement des données afin d'avoir des fichiers qui ne sont pas trop grands pour pouvoir être facilement manipulé. Le module a été appliqué aux résultats.Traitement des données. En raison du niveau de bruit de scintillation des spectres 2D en utilisant l'ionisation nanoESI, une étape supplémentaire qui utilise l'algorithme de Cadzow a été ajouté entre la transformée de Fourier le long de t2 (temps de mesure) et la transformée de Fourier le long de t1 (retard différentiel entre les deux premières impulsions). L'adaptation de l'algorithme de Cadzow à la FT-ICR MS, qui a été réalisé dans ce projet, permet un dé-bruitage des spectres de masse 2D afin d'éliminer le bruit de scintillation verticale à partir des plus pics les plus abondants et de faire ressortir le signal des pics qui sont cachés dans le bruit.
Résumé de la soumission : Le but de ce projet est le développement de méthodes de spectrométrie de masse bidimensionnelle fondées sur la FT-ICR/MS (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry) afin d’élargir le domaine d’analyses structurales d’échantillons complexes. Les premiers résultats en spectrométrie de masse bidimensionnelle utilisant la FT-ICR/MS ont été obtenus en 1987 par l’équipe de FT-ICR de l’Ecole Polytechnique de Lausanne dirigée par T. Gäumann avec l’apport des techniques RMN par G. Bodenhausen. La gamme de masse de ces première études était assez étroite, la quantité de données était importante par rapport au coût de la mémoire nécessaire et la résolution des spectres de masse 2D dans la deuxième dimension était trop faible pour pouvoir étudier des échantillons de réels mélange complexes.Grâce aux avancées en électronique et en informatique, la plupart des obstacles au développement des méthodes de la FT-ICR 2D ont aujourd’hui disparu et ses avantages sont toujours d’actualité. Les techniques de MS/MS habituelles sont en effet laborieuses car elles impliquent de prendre un spectre par ion à analyser dans le spectre MS. De plus, l’obtention des spectres MS/MS d’ions minoritaires conduit à un mauvais rapport signal sur bruit. L’acquisition de spectres de masse par FT-ICR 2D permet d’automatiser la MS/MS sans perte d’information et de s’affranchir des problèmes de rapport signal-sur-bruit. On passe d’une information série en MS/MS à une analyse parallèle en MS où toutes les informations sont contenues dans un spectre. Comme la RMN 2D a simplifié l’interprétation de données RMN et a augmenté la quantité d’information présente dans les spectres, on attend les mêmes avancées en spectrométrie de masse du développement de la FT-ICR 2D.Toutefois, il existe des problèmes auxquels il faut remédier afin de produire des spectres de masse 2D interprétables. Tout d’abord, il faut mettre en place un programme permettant l’analyse des données FT-ICR 2D. Dans des études préliminaires, un programme conçu pour le traitement de données RMN a été utilisé, mais la taille des fichiers générés par les expériences FT-ICR 2D est beaucoup plus importante que ceux générés en RMN 2D. Ces logiciels doivent donc être adaptés à la spectrométrie de masse. Le deuxième problème est le bruit de scintillation causé par les fluctuations du nombre d’ions piégés dans la cellule ICR et qui ne peut pas être réduit par l’accumulation d’acquisitions de données. Il existe en RMN 2D des méthodes pour minimiser ce type de bruit. Il faut les adapter à la FT-ICR 2D.Une expérience de spectrométrie de masse bidimensionnelle repose sur trois éléments : la séquence d’impulsion, l’acquisition de données et le traitement de données. C’est pourquoi notre recherche portera sur ces trois thèmes. Le développement de séquences d’impulsion est nécessaire pour minimiser le temps d’acquisition de spectres de masse 2D sans affecter leur résolution (méthodes de sur-résolution et d’échantillonnage partiel), pour limiter la quantité de données pour les spectres MS peu denses et pour développer des méthodes de FT-ICR 3D, voire à des dimensions plus élevées. De nouvelles séquences d’impulsion sont également nécessaires pour adapter la FT-ICR 2D à de nouveaux modes de fragmentations (IRMPD, ECD, EID) n’utilisant pas de gaz en cellule ICR. Enfin, le développement du traitement des données portera sur  les techniques de minimisation du bruit et d’augmentation de la résolution dans la deuxième dimension comme les techniques de corrélation. Une fois que nous aurons mis au point ces techniques de spectrométrie de masse multidimensionnelle, nous souhaitons les appliquer à une série d’échantillons d’origine biologique de complexité croissante : digest d’apolipoprotéine A1 humaine, protéine apo A1 native, échantillons d’HDL et de plasma sanguin humain. La conclusion attendue de ce projet est de faire de la spectrométrie de masse multidimensionnelle une technique analytique à part entière.
Résultats : Nous avons implémenté la spectrométrie de masse FT-ICR bidimensionnelle sur un instrument commercial et nous avons montré que l’IRMPD (Dissociation Multiphonique Infrarouge) et l’ECD (Dissociation par Capture d’Électrons) sont deux modes de fragmentation qui peuvent être utilisés avec de bons résultats. Nous avons appliqué l’ECD à des peptides et des glycopeptides et nous avons obtenu des fragmentations qui sont équivalentes à celles de MS MS, avec des abondances qui sont équivalentes. Nous avons montré que le traitement des spectres de masse de 2D l'algorithme Cadzow élimine une grande partie du bruit de scintillation et les traînées verticales qui peuvent rendre les spectres de masse 2D difficiles à interpréter et aussi augmenter le rapport signal-sur-bruit. Afin d'améliorer la sensibilité de la 2D ECD FT-ICR MS, nous avons développé un programme de traitement de données qui peut manipuler de gros fichiers, ce qui améliore le pouvoir de résolution et la sensibilité de la spectrométrie de masse 2D, ainsi que la complexité des échantillons analysables. Cela nous permet d'enregistrer des spectres de masse 2D ECD FT-ICR à la fois des protéines intactes et digestion trypsique.
En réussissant l'enregistrement de spectres de masse 2D à la fois des peptides et glycopeptides, nous avons montré que la 2D DPE FT-ICR spectrométrie de masse a le potentiel d'être utile à la fois en protéomique top-down et bottom-up. Parce que en 2D FT-ICR MS le rapport cyclique de l'analyseur de masse n'interfère pas avec le pouvoir de résolution, toutes les espèces d'ions sont fragmentés au lieu de quelques élus et le rapport signal-sur-bruit est beaucoup plus élevé. La spectrométrie de masse ECD FT-ICR peut devenir utile à l'analyse d'échantillons abondants tels le plasma humain, le pétrole et les échantillons environnementaux, car elle évite une étape de chromatographie qui conduit toujours à la perte de familles moléculaires dans l'échantillon.
Perspectives : Plusieurs problèmes doivent être résolus afin d'obtenir des spectres de masse 2D analytiquement utile. La première question concerne les harmoniques de pics d'ions précurseurs (et, dans une moindre mesure, des pics d'ions fragments) qui apparaissent dans la dimension verticale. La fragmentation par ECD et IRMPD se produit au centre de la cellule ICR, de sorte que la modulation de rayons des ions ressemble à un peigne de Dirac plutôt que d'une sinusoïde. En conséquence, les harmoniques dans la dimension verticale est intense. Afin d'éliminer ces problèmes, nous envisageons à la fois l'optimisation des paramètres séquence d'impulsions et des étapes supplémentaires de traitement des données, à l'instar de correction de fréquence d'instruction dans la dimension verticale.
La nécessité d'enregistrer les grands ensembles de données afin d'obtenir une haute résolution dans les spectres de masse 2D conduit à des expériences prolongées et à la consommation de grandes quantités d'échantillon. Heureusement, il existe de nombreuses techniques d'échantillonnage partielles de RMN 2D qui peuvent être adaptées à la spectroscopie 2D FT-ICR MS afin de réduire la taille des jeux de données sans perte de pouvoir de résolution. Celles-ci peuvent conduire à des expériences courtes et à une moins grande consommation d’échantillon. Nous étudions également les possibilités offertes par les séquences d'impulsions alternatives, en particulier en adaptant des idées comme l'expérience « accordéon » de spectroscopie RMN 2D à la 2D FT-ICR MS ce qui peut donner accès à la durée de vie d'ions. Nous pouvons également obtenir des spectres de masse 2D haute résolution par le biais d'autres méthodes de traitement des données, comme la méthode du filtre de diagonalisation, qui vient de montrer de grandes promesses dans la spectrométrie de masse FT-ICR une dimension.
Publications et brevets : [4] van Agthoven, Maria A.; Delsuc, Marc-Andre; Bodenhausen, Geoffrey; Rolando, Christian. Towards Analytically Useful Two-Dimensional Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2012, 404, In revision.
[3] van Agthoven, Maria A.; Chiron, Lionel; Coutouly, Marie-Aude; Delsuc, Marc-André; Rolando, Christian. Two-Dimensional ECD FT-ICR Mass Spectrometry of Peptides and Glycopeptides. Analytical Chemistry 2012, 84, 5589-5595.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac3004874
[2] van Agthoven, Maria A.; Delsuc, Marc-Andre; Rolando, Christian. Two-dimensional FT-ICR/MS with IRMPD as fragmentation mode. International Journal of Mass Spectrometry 2011, 306, 196-203.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138738061000415X
[1] van Agthoven, Maria A.; Coutouly, Marie-Aude; Rolando, Christian; Delsuc, Marc-Andre. Two-dimensional Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: reduction of scintillation noise using Cadzow data processing. Rapid Communications in Mass Spectrometry 2011, 25, 1609-1616.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/rcm.5002/abstract