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Fallen für Proteine
Produktübersicht: Geräte für Proteomics

Das Massenspektrometer ist das alles dominierende Gerät in den Laboren von Proteomikern.

Wer, wann, wo, was, wie, warum? So lauten die sechs „Ws“ , die jeder gute Journalist möglichst am Anfang eines Pressetextes beantworten sollte. Die gleichen Fragen stellen sich auch Proteomiker, wenn sie erforschen, welche Proteine zu welchem Zeitpunkt, wo in der Zelle unterwegs sind und dort was, wie und warum tun.

Das Handwerkszeug für ihre Recherche sind jedoch nicht Telefon und Internet, sondern zumeist Elektrophoresekammern, Chromatographiesäulen und natürlich Massenspektrometer (MS), ohne die im Proteomiklabor praktisch nichts mehr geht. Kaum ein Proteomiker kommt noch ohne eigenes oder von der Serviceabteilung des Instituts bereitgestelltes Massenspektrometer aus.

Am prinzipiellen Aufbau eines Massenspektrometers hat sich auch knapp hundert Jahre, nachdem der amerikanische Physiker Arthur Dempster den ersten praktikablen Massenspektrometer konstruierte, nichts wesentliches verändert. Wie Dempsters MS-Urahn, bestehen auch moderne Instrumente aus drei grundlegenden Komponenten: der Ionenquelle, dem Massenanalysator und dem Detektor. Entsprechend klar verteilt sind auch die Aufgaben in einem Massenspektrometer. Die Ionenquelle erzeugt die geladenen Teilchen, der Massenanalysator trennt sie nach dem Verhältnis aus Masse sowie Ladungszahl (m/z), und der Detektor registriert sie schließlich und setzt das Signal in ein auswertbares Massenspektrum um.

Softe Ionisierung

Bis vor zwanzig Jahren waren Massenspektrometer für die Analyse von Proteinen und Peptiden kaum zu gebrauchen, weil die bis dahin üblichen Ionenquellen den zu analysierenden Verbindungen mit Brachialgewalt Elektronen entrissen, um sie in Ionen zu überführen. Für die „toughen“ Substanzen, die Physiker und Chemiker in der Regel im MS analysierten, war dies folgenlos, von Proteinen und Peptiden blieben jedoch nicht einmal mehr Bruchstücke übrig. Erst mit den in den neunziger Jahren entwickelten „soften“ Ionisierungsverfahren, wie der Matrix-Assistierten Laserdesorption Ionisation (MALDI) und der heute in der Proteomanalyse sehr populären Elektrosprayionisation (ESI), konnten auch Biomoleküle den Flug durch das Massenspektrometer antreten.

Bei der Elektrosprayionisation werden die aus einer HPLC-Säule austretenden Peptide durch eine feine Spraykapillare gepumpt, an der eine sehr hohe Spannung anliegt. Treten sie aus der langgezogenen Spitze der Kapillare aus, zerstäuben sie in dem dort vorhandenen elektrischen Feld zu einem Nebel aus feinsten geladenen Tröpfchen. Auf ihrem Weg Richtung Massenanalysator werden die Tröpfchen immer kleiner und kommen schließlich komplett vom Lösungsmittel befreit als geladene Gas-Ionen am Eingang des Massen­analysators an. Was die Ionen dort erwartet hängt von der Bauart des Analysators ab und kann vom Durchfliegen einer langen Röhre in einem Flugzeitanalysator (TOF) bis zum Eingefangenwerden in einer Ionenfalle reichen. Mittlerweile können Proteomiker aus einem guten halben Dutzend verschiedener Massenanalyse-Verfahren auswählen, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen.

FT-ICR-Massenspektrometer
Erinnert an den Kessel einer Dampfmaschine: die trommelförmige ICR-Zelle eines FT-ICR-Massenspektrometers, die gerade mit flüssigem Helium gefüllt wird.

Guten Flug

Zu den verbreitetsten Massenanalysatoren zählen Flugzeitanalysatoren, die aufgrund ihres einfachen Aufbaus und Messprinzips keine allzu großen Löcher in den Laboretat reißen. Die geladenen Peptidfragmente werden hier in einer langen, evakuierten Röhre von einem elektrischen Feld beschleunigt und fliegen geradewegs auf einen Detektor zu. Da auf alle Ionen die gleichen Beschleunigungskräfte wirken, erreichen die leichten ihr Ziel schneller als die schwereren Brocken. Aus der Flugzeit, die proportional zu m/z ist, errechnet ein angeschlossener Computer schließlich ein Massenspektrum.

Etwas komplizierter aufgebaut sind Quadrupol- und Ionenfallen-Instrumente, bei denen die Ionen in einem elektrischen Quadrupol- beziehungsweise rotierenden Feld eingefangen werden. TOF, Quadrupol und Ionenfallen werden häufig in Tandem-Massenspektrometern (MS/MS) hintereinandergeschaltet, um die Massengenauigkeit und Massenauflösung zu erhöhen, etwa in Quadrupol-Ionenfallen oder Quadrupol-TOF Geräten.

Gefangen im Magnetfeld

Die Stars unter den derzeitigen Massenanalysatoren sind aber Fourier-Transformation-Ionencyclotron-Resonanz (FT-ICR)- und Orbitalfallen-Massenanalysatoren. FT-ICR-Massenspektrometer sind schon aufgrund ihrer Größe und ihres tonnenschweren Gewichts äußerst spektakuläre Großgeräte, die man nicht mehr so einfach neben, geschweige denn, auf der Bench unterbringen kann.

Herzstück und teuerster Bestandteil des FT-ICR Massenspektrometers ist ein mit flüssigem Helium auf -269°C gekühlter supraleitender Magnet in der trommelförmigen ICR-Zelle, der ein extrem starkes Magnetfeld erzeugt. Die geladenen Peptide treffen senkrecht auf das Magnetfeld und werden von diesem auf eine kreisförmige Bahn gezwungen, deren Frequenz vom jeweiligen m/z-Wert abhängt. Gleichzeitig strahlen Anregungselektroden, die auf der Außenseite der ICR-Zelle angebracht sind, Radiowellen ab und lenken die Peptidionen auf eine Bahn mit größerem Radius. Bei ihrer Rückkehr auf die ursprüngliche Bahn emittieren die Ionen ihrerseits eine Radiofrequenz. Über eine Fouriertransformation rechnet ein angeschlossener Computer die empfangenen Radiofrequenzen schließlich in äußerst präzise m/z-Werte um, und zeichnet sie in einem Massenspektrum auf.

Die Theorie für ICR-Analysatoren wurde bereits in den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts entwickelt. Wesentlich jünger ist das Konzept für einen Orbitalfallen-Analysator, das der russische Physiker Alexander Makarov 1997 erstmals für den Bau eines neuartigen Massenanalysators einsetzte. Orbitalfallen fangen die Ionen nicht mit Magnetfeldern oder Radiowellen ein, sondern mit einem statischen elektrischen Feld, das eine spindelförmige innere Elektrode umgibt, die von einer in zwei Hälften geteilten, fassförmigen äußeren Elektrode umschlossen ist. Die Ionen schießen senkrecht zur Achse der inneren Elektrode in die Orbitalfalle und umkreisen diese auf einer entlang der Achse oszillierenden Bahn. Dabei erzeugen sie auf der äußeren Elektrode einen Stromfluss. Über eine Fourier-Transformation lässt sich daraus die Oszillationsfrequenz und der mit der Frequenz verknüpfte Wert für m/z berechnen.

Orbitalfallen-Massenspektrometer sind erheblich kompakter und weniger wartungsintensiv als FT-ICR Geräte, stehen diesen bei der Massengenauigkeit und Massenauflösung jedoch in nichts nach. Sie zählen deshalb seit ihrer Markteinführung 2006 zu den begehrtesten Massenspektrometern von Proteinforschern. Zudem lassen sich Orbitalfallen-Analysatoren auch mit anderen Ionenfallen kombinieren. So setzen Proteomiker für die Schrotschussproteomik, bei der die Peptide direkt nach Verdau und Flüssigchromatographie ohne viel Federlesens im Massenspektrometer landen, häufig Tandem-Geräte ein, bei denen die Orbitalfalle mit einer Quadrupolfalle kombiniert ist.

Das Massenspektrometer ist zwar das wichtigste Arbeitsgerät des Proteomikers, ganz ohne zusätzliche Instrumente geht es aber (noch) nicht. Was Sie neben Massenspektrometern noch für die Proteomanalyse benötigen, finden Sie auf den nächsten Seiten.




(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 05/2012, Stand: April 2012, alle Angaben ohne Gewähr)


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Letzte Änderungen: 31.05.2012


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