Ultrasensitive mass spectrometry tags

Mass spectrometry tags are an alternative to fluorescence detection in case it is required to identify more than 6 different objects in one sample. This is due to limited resolution of the spectrum of fluorescent dyes as no more than 6 color signals can be resolved in visible spectrum. At the same time, many biotechnological problems require studying a variety of parameters in one sample. This requires to examine the sample in a series of or use other detection methods.

Mass spectrometry detection method allows to receive and interpret a huge number of signals from the object (s). It is possible to find almost an unlimited number of mass spectrometry tags in one sample and immediately obtain data on dozens of parameters in one study. There are examples of successful use of the method of mass spectrometric detection in molecular biological and immunological studies; it is now possible to determine up to 30 parameters of the object under study simultaneously. However, advance of this detection method is backed by lack of reliable and affordable mass spectrometric labels (mass tags).

To date, we have synthesized and studied a number of mass spectrometric labels based on cyclopropene: we have shown the possibility of extremely sensitive mass spectrometric detection using them of various amines in amounts of about picomol.

A sensitive method has been developed for the detection of aminoglycoside antibiotics (kanamycin, sisomycin, tobramycin, paramomycin) by phenylcarbenium labels in mixtures; sensitivity was picomols using MALDI mass spectrometry and HPLC.

Kanamycin and tagged kanamycin mass-spectrum. Tagged peak is much stronger.

Tagged kanamycin content is 200-fold less then pure kanamycin. Tagged peak is still much stronger.

Results published in

  • Topolyan, A.P.; Belyaeva, M.A.; Bykov, E.E.; Coodan, P.V.; Rogozhin, E.A.; Strizhevskaya, D.A.; Ivanova, O.M.; Ustinov, A.V.; Mikhura, I.V.; Prokhorenko, I.A.; Korshun, V.A.; Formanovsky, A.A. Derivatization of Aminoglycoside Antibiotics with Tris(2,6-dimethoxyphenyl)carbenium Ion. Acta Naturae, 8, №4, 128-135 (2016).
  • Topolyan A.; Strizhevskaya D.; Belyaeva M.; Brylev V.A.; Ustinov A.V.; Formanovsky A.A.; Korshun V.A. Triphenylcyclopropenylium mass tag: synthesis and application to ultrasensitive LC/MS analysis of amines. Analyst, 141, 3289-3295 (2016).
  • Chistov A.A., Kutyakov S.V., Ustinov A.V., Aparin I.O., Glybin A.V., Mikhura I.V., Korshun V.A. 2-Ethynylperylene and improved synthesis of 3-ethynylperylene. Tetrahedron Letters, 57, 1003-1005 (2016)

Особенность метода масс-спектрометрической детекции обусловлена возможностью получать и интерпретировать огромное количество сигналов от объекта(ов) исследования. Так, в один образец исследуемого материала можно поместить практически неограниченное количество масс-спектрометрических меток и получить данные сразу же по тысячам параметров исследуемых объектов. Существуют примеры успешного использования метода масс-спектрометрической детекции в молекулярно-биологических и иммунологических исследованиях, уже сейчас можно определить до 30 параметров исследуемого объекта одновременно. Однако широкому развитию данного перспективного метода детекции препятствует отсутствие надежных, эффективных и доступных масс-спектрометрических меток (масс-тегов).

К настоящему времени нами синтезирован и исследован ряд масс-спектрометрических меток на основе циклопропена: показана возможность крайне чувствительной масс-спектрометрической детекции с их помощью различных аминов в количествах порядка 10-12 моль.

Разработан чувствительный метод детектирования аминогликозидных антибиотиков (канамицин, сисомицин, тобрамицин, парамомицин) фенилкарбениевыми метками в смесях с чувствительностью 10-12 моль с использованием масс-спектрометрии MALDI и ВЭЖХ.

Общая схема метода мечения аминов масс-тегами с использованием трио(2,6-диметоксифенил)метилиевых солей (тетрафторбората или гексафторфосфата)

Масс-спектр эквимолярной смеси немодифицированного канамицина (пик с M/z = 485) и канамицина с масс-тегом (пик с M/z = 843). Пик тегированного вещества многократно ярче; на его фоне пик чистого вещества практически не проявляется

Масс-спектр смеси, в которой содержание чистого канамицина в 200 раз выше. Пик тегированного вещества все еще много мощнее.

Cинтезирован ряд этинильных производных перилена как потенциальной основы для масс-спектрометрических меток. Этинильные производные активны в реакциях присоединения к азидам для получения меченных периленом определяемых в анализе соединений.

По результатам опубликованы статьи в научных журналах Analyst, Tetrahedron Letters, Acta Naturae:

  • Topolyan, A.P.; Belyaeva, M.A.; Bykov, E.E.; Coodan, P.V.; Rogozhin, E.A.; Strizhevskaya, D.A.; Ivanova, O.M.; Ustinov, A.V.; Mikhura, I.V.; Prokhorenko, I.A.; Korshun, V.A.; Formanovsky, A.A. Derivatization of Aminoglycoside Antibiotics with Tris(2,6-dimethoxyphenyl)carbenium Ion. Acta Naturae, 8, №4, 128-135 (2016).
  • Topolyan A.; Strizhevskaya D.; Belyaeva M.; Brylev V.A.; Ustinov A.V.; Formanovsky A.A.; Korshun V.A. Triphenylcyclopropenylium mass tag: synthesis and application to ultrasensitive LC/MS analysis of amines. Analyst, 141, 3289-3295 (2016).
  • Chistov A.A., Kutyakov S.V., Ustinov A.V., Aparin I.O., Glybin A.V., Mikhura I.V., Korshun V.A. 2-Ethynylperylene and improved synthesis of 3-ethynylperylene. Tetrahedron Letters, 57, 1003-1005 (2016)