UHPLC-ESI-IMS-MS/MS
Molecular Chemistry
Final Report Abstract
Durch die Beschaffung eines UHPLC-ESI-IMS-MS/MS-Geräts ergaben sich die folgenden Vorteile für die Arbeitsgruppen an der FU Berlin: Zum einen ist die UHPLC-ESI-MS/MS an zentralem Standort in der Massenspektrometrie-Core Facility im Rahmen des DFG-Großgerätezentrums BioSupraMol aufgestellt und steht so einer Vielzahl von Projekten, besonders aus dem Kreis der zum SFB 765 „Multivalenz“ und/oder zur Freien Universität Berlin gehörenden Gruppen zur gemeinsamen Verwendung zur Verfügung. Diese Messungen konnten vor der Anschaffung nur extern über Kooperationen durchgeführt werden. Mittlerweile gibt es auch einige Arbeitsgruppen über den Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie hinaus, die diese neuen Möglichkeiten nutzen. Zum anderem hat die Molekülgröße einen wichtigen Stellenwert bei der Charakterisierung der insbesondere von den drei Hauptantragstellern untersuchten multivalenten Strukturen. Dieser Parameter kann über eine Kombination von theoretischen Methoden und dem durch Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) zugänglichen Stoßquerschnitt (CCS) der Ionen bestimmt werden. Normale Massenspektrometrie kann dies nicht; alternativen Methoden wie z.B. DOSY-NMR oder DLS benötigen zu große Substanzmengen, sind zu ungenau, erlauben keine Aussagen über Gasphasenstrukturen oder bedienen eine andere Molekülgröße. Insgesamt wurde durch die Beschaffung des Großgeräts eine grundlegende Lücke im Bereich der Massenspektrometrie geschlossen. Zudem steht durch die inkorporierte IMS eine leistungsstarke weitere Analysemethode zur Verfügung. Hauptsächlich wird das Instrument zur Aufklärung der Strukturen von (supra-)molekularen Strukturen, insbesondere multivalenten Systemen, genutzt. Diese vorwiegend in der Arbeitsgruppe von Prof. Schalley, aber auch der von Prof. Haag (beide Hauptantragsteller, Institut für Chemie) auftretenden Fragestellungen betreffen insbesondere eine Konformations- und Strukturanalyse vorwiegend von Rotaxanen, Pseudorotaxanen, Wirt-Gast-Komplexen, Dendrimeren und Polymeren. Zu einem weiteren Schwerpunkt der Forschungstätigkeit am Gerät entwickelte sich die Quantifizierung von diversen Substanzen mittels UPLC-ESI-MS/MS, da über die Trennung auf der UPLC hinaus komplexe Substanzgemische über den Stoßquerschnitt der entsprechenden Ionen in einer zweiten Dimension virtuell aufgetrennt werden können. Herauszuheben ist hierbei die Analyse von Phytohormonen aus Pflanzenextrakten (Institut für Biologie, drei Arbeitsgruppen: AG Prof. Hilker, AG Prof. Steppuhn, AG Dr. Herde, sowie deren Kooperationspartner). Die in den letzten Jahren etablierte Methode zur gezielten Quantifizierung bekannter Phytohormone soll in den nächsten Jahren zu einer non-targeted Metabolomics-Analyse unter Nutzung aller Möglichkeiten des Geräts (UPLC-ESI-IMS/MS/MS) ausgebaut werden. Daneben gibt es eine Reihe erfolgreicher Projekte zusammen mit der Neurologie der Charite (Dr. Böhmerle, Prof. Endres), die sich mit der Quantifizierung von in der Tumortherapie eingesetzten Substanzen in diversen Gewebe- und Serumextrakten beschäftigt. Ähnliche Projekte mit weiteren Arbeitsgruppen, insbesondere aus dem Institut für Pharmazie (AG Prof. Melzig, AG Prof. Parr) werden ebenfalls unter Nutzung des Geräts erforscht. Der dritte Schwerpunkt ist die Strukturanalytik von Proteinen, Peptiden und Antikörpern. Hier zeigte sich in den letzten Jahren, dass das beschaffte Gerät bei der Bestimmung der absoluten Stoßquerschnitte klassischen Drift Tube–Ionenmobilitätsmassenspektrometern unterlegen ist. Daher fanden viele Arbeiten, die diesbezüglich geplant waren, an den besser geeigneten Geräten des benachbarten Fritz-Haber-Instituts statt. Die Enge der Zusammenarbeit kann z.B. auch an der Berufung von Kevin Pagel als Juniorprofessor an die Freie Universität und an einem regen Austausch an Masteranden und Doktoranden zwischen beiden Institutionen abgelesen werden. Reichen ein Vergleich der Driftzeiten oder auch nur MS/MS-Daten aus, lassen sich auch hier wertvolle Informationen gewinnen, z.B. beim Vergleich von in der Medizin eingesetzen Antikörpern mit Generika zur Überprüfung der Antikörperstruktur (AG Parr, Pharmazie) oder bei der Analyse der Strukturen zyklischer Peptide (AG Melzig, Pharmazie) oder intakter Proteine (AG Rademann, Pharmazie). Sehr erfolgreich wurde das Gerät auch zur Bestimmung der CCS von Mannose-reichen N-Glykanen eingesetzt – ein Teil der Messungen an (AG Pagel, AG Seeberger), Arbeiten, die inzwischen in eine Publikation in Nature mündeten. Daneben wird das Gerät für eine Vielzahl an weiteren, vom zeitlichen Aufwand her meist kleineren Projekten eingesetzt, vorwiegend aus allen Instituten des Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie, aber auch darüber hinaus: Derzeit gibt es diverse mit dem Fachbereich assoziierte Arbeitsgruppen, u.a. Prof. Dr. Seeberger, Dr. Kolarich, Dr. F. Pfrengle, Dr. Varon Silva (Biomolekulare Systeme, MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung), Prof. Dr. Bertin (Department 6.0, BAM) und Prof. Aziz (FU Physik). Eine sehr gute Auslastung des Geräts mit durchschnittlich mehr als 40 h pro Woche (exklusive Ausfallszeiten durch Defekte und notwendige Wartungsarbeiten) ist durch den einfachen Zugang zum Gerät durch Aufstellung des Instruments im von der DFG geförderten Großgerätezentrum „BioSupraMol“ gewährleistet. Prinzipiell kann es von allen Interessenten nach einer Einführung durch die Mitarbeiter der MS-Core Facility genutzt werden. Jun.-Prof. Kevin Pagel und der Leiter der MS-Core Facility haben zwei sehr erfolgreiche Workshops zur Ionenmobilitätsmassenspektrometrie im Rahmen der DGMS-Jahrestagungen durchgeführt.
Publications
- Evaluation of multivalency as an organization principle for the efficient synthesis of doubly and triply threaded amide rotaxanes. Org. Chem. Frontiers 2014, 1, 521-531
L. Kaufmann, N. L. Traulsen, A. Springer, H. V. Schröder, T. Mäkelä, K. Rissanen, C. A. Schalley
(See online at https://dx.doi.org/10.1039/C4QO00077C) - Specific targeting of neurotoxic side effects and pharmacological profile of the novel cancer stem cell drug salinomycin in mice. J. Mol. Med. 2014, 92, 889-900
W. Boehmerle, H. Muenzfeld, A. Springer, P. Huehnchen und M. Endres
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/s00109-014-1155-0) - Identification of Carbohydrate Anomers Using Ion Mobility-Mass Spectrometry. Nature 2015, 526, 241-244
J. Hofmann, H. S. Hahm, P. H. Seeberger, K. Pagel
(See online at https://dx.doi.org/10.1038/nature15388)
