Eliminare l'ignoto chimico: gli scienziati sono a caccia dell'altro 99%.

A cura del Pacific Northwest National Laboratory, 27 agosto 2023

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia stanno sviluppando nuove tecniche di spettrometria di massa per identificare il 99% dei composti chimici non ancora caratterizzati. Combinando due strumenti ad alta risoluzione, mirano a sbloccare potenziali cure per le malattie, affrontare il cambiamento climatico e identificare nuove minacce chimiche.

L'universo è inondato di miliardi di possibili sostanze chimiche. Nonostante l’arsenale di tecnologie avanzate a loro disposizione, i ricercatori hanno identificato solo la composizione molecolare di una porzione minuscola, forse circa l’1%, di questi composti.

Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell’Energia stanno prendendo di mira il restante 99%, creando nuovi modi per saperne di più su un vasto mare di composti sconosciuti. Potrebbero esserci cure per le malattie, nuovi approcci per affrontare il cambiamento climatico o nuove minacce chimiche o biologiche in agguato nell’universo chimico.

Il lavoro fa parte di un'iniziativa nota come m/q o "m su q", abbreviazione di massa divisa per carica, che indica uno dei modi in cui gli scienziati misurano le proprietà chimiche nel mondo della spettrometria di massa.

"In questo momento possiamo prelevare un campione dal terreno dove, a seconda del tipo di terreno, potrebbero esserci migliaia di composti chimici in appena un cucchiaino da tè", ha affermato Thomas Metz, che guida l'iniziativa m/q. “E non sappiamo cosa siano la maggior parte di loro in termini di strutture chimiche. Semplicemente non abbiamo idea di cosa ci sia dentro”.

Gli scienziati in genere si affidano a librerie di riferimento che contengono informazioni su migliaia di molecole per identificare le sostanze. I ricercatori ordinano i loro campioni dal suolo, dal corpo o altrove e confrontano ciò che hanno misurato sperimentalmente con ciò che è presente nella biblioteca. Sebbene ciò sia utile, limita gli scienziati a identificare solo strutturalmente molecole già osservate in precedenza, ad esempio attraverso l'analisi di composti standard acquistati da fornitori chimici.

Adam Hollerbach con un dispositivo SLIM creato presso il Pacific Northwest National Laboratory. Credito: Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale

Gli scienziati m/q stanno prendendo di mira il restante 99% che non è stato ancora identificato.

Nell'ultimo sviluppo, un team guidato dallo scienziato Adam Hollerbach ha combinato due strumenti ad alta risoluzione in un unico sistema per dimensionare le molecole con un dettaglio senza precedenti. I risultati sono stati pubblicati online il 12 giugno sulla rivista Analytical Chemistry.

Ora gli scienziati possono effettuare numerose misurazioni importanti sui composti chimici in un unico esperimento, ottenendo informazioni importanti in modo più rapido, pratico e accurato rispetto a prima.

La tecnica di Hollerbach si applica agli ioni, molecole che hanno una carica positiva o negativa. Ciò li rende più facili da controllare e rilevabili mediante la spettrometria di massa.

Come le persone che li studiano, gli ioni hanno molte caratteristiche che li distinguono l'uno dall'altro. Nelle persone, il peso, il colore dei capelli, le dimensioni, la forma, il colore degli occhi e molte altre caratteristiche ci aiutano a sapere chi è chi. Per gli ioni, le caratteristiche identificative includono massa, forma, dimensione, carica elettrica e composizione chimica. Questi non servono solo come identificatori ma anche come guida al comportamento delle molecole associate, indizi sul loro potenziale di curare malattie o assorbire sostanze inquinanti, per esempio.

Questa comprensione dovrebbe aiutare gli sforzi di decine di scienziati del PNNL che si concentrano sulla comprensione dell’effetto dei microbi sul clima. I microbi svolgono un ruolo chiave nel trasformare elementi come il carbonio in altre forme importanti per il pianeta. Il loro impatto sul riscaldamento o sul raffreddamento del pianeta è potente. Ma gli scienziati hanno molto da imparare.

“Potrebbero esserci milioni di microbi in appena un grammo di terreno e non sappiamo chi siano la maggior parte di loro o cosa facciano. C'è ancora molta scoperta da fare”, ha detto Metz. "Dal punto di vista della sfida scientifica, si tratta dello scenario peggiore o di una delle nostre maggiori opportunità, a seconda di come la si guarda."