Elektronoverføring dissosiasjon

Elektronoverføring dissosiasjon (forkortet til ETD fra engelsk Electron-transfer dissociation) er en metode for fragmentering av flerladede gassformige makromolekyler i et massespektrometer mellom trinnene i tandem massespektrometri (MS/MS). I likhet med elektronfangst dissosiasjon induserer ETD fragmentering av store, multiladdede kationer ved å overføre elektroner til dem. ETD brukes mye med polymerer og biologiske molekyler som proteiner og peptider for sekvensanalyse. Overføring av et elektron forårsaker peptid-ryggradspaltning i c- og z-ioner mens labile posttranslasjonelle modifikasjoner (PTM) er intakte. Teknikken fungerer bare bra for peptid- eller polymerioner med høyere ladningstilstand (z> 2). Imidlertid, i forhold til kollisjonsindusert dissosiasjon (CID), er ETD fordelaktig for fragmentering av lengre peptider eller til og med hele proteiner. Dette gjør teknikken viktig for top-bunn proteomikk. Metoden ble utviklet av Hunt og kollegaer ved University of Virginia.

Historie 
Elektronfangst dissosiasjon (ECD) ble utviklet i 1998 for å fragmentere store proteiner for massespektrometrisk analyse. Fordi ECD krever en stor mengde nesten-termiske elektroner (<0,2 eV), ble den opprinnelig brukt utelukkende med fourier-transform ion syklotron resonans massespektrometri (FTICR), den dyreste formen for MS-instrumentering. Mindre kostbare alternativer som kvadrupol flyvetid (Q-TOF), kvadrupol ionefelle (QIT) og lineære kvadrupolionefelle (QLT) -instrumenter brukte den mer energiintensive kollisjonsinduserte dissosiasjonsmetoden (CID), noe som resulterte i tilfeldig fragmentering av peptider og proteiner. I 2004 Syka et al. kunngjorde etableringen av ETD, en dissosieringsmetode som ligner på ECD, men bruker et billig, allment tilgjengelig kommersielt spektrometer. De første ETD-eksperimentene ble kjørt på et QLT-massespektrometer med en elektrosprayioniseringskilde (ESI).

Prinsipp for drift 
Flere trinn er involvert i elektronoverføring dissosiasjon. Vanligvis skilles først en proteinblanding ved hjelp av høyytelses væskekromatografi (HPLC). Deretter multipliserte protonerte forløpermolekyler genereres ved elektrosprayionisering og injiseres i massespektrometeret. (Bare molekyler med en ladning på 2+ eller mer kan brukes i ETD.) For at et elektron skal overføres til de positive forløpermolekylene, genereres radikale anioner og settes i ionefellen med dem. Under ion/ion-reaksjonen overføres et elektron til det positivt ladede proteinet eller peptidet, og forårsaker fragmentering langs peptidrygraden. Til slutt blir de resulterende fragmentene masseanalysert.

Forberedelse av radikale anioner 
I de opprinnelige ETD-eksperimentene ble antracen (C14H10) brukt til å generere reaktive radikale anioner gjennom negativ kjemisk ionisering. Flere polysykliske aromatiske hydrokarbonmolekyler har blitt brukt i påfølgende eksperimenter, med fluoranten som for tiden er det foretrukne reagenset. Fluoranten har bare omtrent 40% effektivitet i elektronoverføring, men andre molekyler med lav elektronaffinitet blir undersøkt.

Injeksjon og fragmentering 

Når forløperkationene (proteiner eller peptider) og radikale anioner kombineres i ionefellen, overføres et elektron til det flerladede kationet. Dette danner en ustabil positiv radikal kation med en mindre positiv ladning og et elektron. Fragmentering finner sted langs peptidryggraden ved en N-Cα-binding, noe som resulterer i fragmentioner av c- og z-typen.

Masseanalysering 
Fragmentering forårsaket av ETD gjør det mulig å oppnå mer fullstendig informasjon om proteinsekvenser fra ETD-spektre enn fra CID-tandem massespektrometri. Fordi mange peptid-ryggrad c- og z-type ioner oppdages, kan nesten fullstendig sekvensdekning av mange peptider skilles fra ETD-fragmenteringsspektre. Sekvenser av 15-40 aminosyrer ved både N-enden og C-enden av proteinet kan leses ved hjelp av masse-til-ladningsverdier for de enkelt og dobbeltladede ionene. Disse sekvensene, sammen med den målte massen av det intakte proteinet, kan sammenlignes med databaseoppføringer for kjente proteiner og for å avsløre endringer etter translasjon.

Instrumentelt 

Elektronoverføringsdissosiasjon finner sted i et ionefelle-massespektrometer med en elektrosprayioniseringskilde. De første ETD-eksperimentene ved University of Virginia benyttet en radiofrekvens kvadrupol lineær ionefelle (LQT) modifisert med en kjemisk ioniseringskilde (CI) på baksiden av instrumentet (se diagrammet til høyre). Fordi et spektrum kan oppnås i omtrent 300 millisekunder, blir væskekromatografi ofte koblet med ETD MS/MS. Ulempen med å bruke LQT er at masseoppløsningseffekten er mindre enn for andre massespektrometre.

Senere studier har prøvd andre instrumenter for å forbedre masseoppløsningen. Å ha en negativ CI-kilde på baksiden av instrumentet forstyrret høyoppløsningsanalysatoren i LQT-Orbitrap og kvadrupol flyvetid (QTOF), så alternative ioniseringsmetoder for radikale anioner har blitt introdusert.

I 2006 brukte en gruppe ved Purdue University, ledet av Scott McLuckey, et kvadrupol/flyvetid  (QqTOF) tandem massespektrometer med pulserende nano-ESI / APCI-dobbelt ioniseringskilde ved bruk av radikale anioner på 1,3- dinitrobenzen som elektrondonor. Senere tilpasset et laboratorium ved University of Wisconsin et hybrid kvadrupol lineær ionefelle-orbitrap massespektrometer for å bruke ETD. Denne metoden brukte også en frontend-ioniseringsmetode for radikale anioner av 9-antracenkarboksylsyre via pulserte doble ESI-kilder.

Ettersom ETD blir stadig mer populært for analyse av protein- og peptidstrukturer, fortsetter implementeringen på lett tilgjengelige ionefelle massespektrometere kombinert med høyoppløselige masseanalysatorer.

Applikasjoner

Proteomikk 
ETD er mye brukt i analysen av protein og store peptider. Viktige endringer etter translasjon, inkludert fosforylering, glykosylering og disulfidbindinger, analyseres alle ved hjelp av ETD.

Polymerkjemi 
Selv om MS-baserte analyser av polymerer i stor grad er utført ved bruk av en-trinns MS, har tandem MS også blitt brukt til å karakterisere polymerkomponenter. CID er den vanligste metoden for dissosiasjon som brukes, men ETD har blitt brukt som en komplementær metode. Unike obligasjonsspaltninger som følge av ETD gir verdifull diagnostisk informasjon.

Referanser 

Massespektrometri