Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За первый год выполнения проекта были проведены следующие работы: 1) Было проведено совершенствование ранее предложенного авторами комбинированного ионного источника (Y. Kostyukevich et al, Analytical chemistry, 2018). Разработан набор рекомендаций по созданию комбинированных ионных источников, в том числе для проведения ион-молекулярных реакций в газовой фазе и для ионного транспорта между отдельными интерфейсами. Источник был разработан таким образом, чтобы обеспечить высокопроизводительный анализ образцов различной природы (биологические, геологические, археологические образцы). Используя разработанный источник были проведены исследования различных объектов. Данные работы описаны ниже. 2) Используя разработанный ионный источник были исследованы теоретически предсказанные превращения альдегидов и кетонов в замещенные оксираны. Было обнаружено образование 2,2-диметилоксирана-d6 из ацетона-d6, фенилазирина-d2 из бензонитрила и 2-метил-2-(4-гидроксифенил)-оксирана из 4-гидроксиацетофенона. Были подтверждены теоретические предсказания выполненные методами DFT и MP2. Результаты описаны в публикации ID Gridnev, A Zherebker, Y Kostyukevich, E Nikolaev Methylene Group Transfer in Carbonyl Compounds Discovered in silico and Detected Experimentally ChemPhysChem 20 (3), 361-365. 3) Используя разработанный ионный источник были проведены исследования образцов тканей Египетских мумий. Работа выполнялась совместно с Центром Египтологических Исследований РАН. Задачей исследования было определение состава бальзамирующих материалов и обнаружение минерального битума как одного из компонентов бальзамической смеси. Было определено, что молекулярный состав экстрактов из тканей Египетских мумий представлен классами O, O2, O3, O4, O5, N, NO, NO2, NO3, NO4, NO5, N2O, N2O2. Было обнаружено отсутствие минерального битума в составе бальзамирующего материала. Результаты описаны в публикации Y Kostyukevich, A Kitova, A Zherebker, S Rukh, E Nikolaev Investigation of the archeological remains using ultrahigh resolution mass spectrometry European Journal of Mass Spectrometry, 1469066719840287. 4) Используя разработанный источник проводились исследования молекулярного состава биотоплив, получаемых в результате гидротермального сжижения биомассы. Исследовалось влияние растворителя (Вода, метанол, этанол, бутанол, изопропанол, ацетонитрил, толуол, гексан), используемого в процессе сжижения на молекулярных состав продукта. Было обнаружено, что для всех растворителей доминирующими являются классы N2, N и ON. Было доказано, что вода, образующаяся из вторичных спиртов в результате термического разложения биомассы значительно влияет на процесс гидротермального сжижения. Работы выполнялись совместно с Институтом Физики Высоких Температур РАН. Результаты описаны в публикации Yury Kostyukevich, Mihail Vlaskin, Alexander Zherebker, Anatoly Grigorenko, Ludmila Borisova, Eugene Nikolaev High-Resolution Mass Spectrometry Study of the Bio-Oil Samples Produced by Thermal Liquefaction of Microalgae in Different Solvents Journal of The American Society for Mass Spectrometry, 1-10. 5) Используя разработанный ионной источник проводились исследования молекулярного состава фракций гиматомелановых кислот, полученных твердофазной экстракцией из леонардита. Исследовалось влияние рН растворителя на состав фракций. Было показано, что при рН 5 в спектре доминировали алифатические карбоновые кислоты, а при рН 3 ароматические. Результаты описаны в публикации Alexander Zherebker, Evgeny Shirshin, Oleg Kharybin, Yury Kostyukevich, Alexey Kononikhin, Andrey I Konstantinov, Dmitry Volkov, Vitaliy A Roznyatovsky, Yuri K Grishin, Irina V Perminova, Eugene Nikolaev Separation of Benzoic and Unconjugated Acidic Components of Leonardite Humic Material Using Sequential Solid-Phase Extraction at Different pH Values as Revealed by Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry and Correlation Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Journal of agricultural and food chemistry 66 (46), 12179-12187 6) Были выполнены исследования органических макромолекул, сохранившихся в ископаемых останках сибирского мамонта. Было идентифицировано 98 белков и 73 липида, экстрагированных из 3-х различных частей кости мамонта. Белковый состав кости мамонта был сравнен с белковым составом кости современного слона. Было обнаружено, что белок колаген в обоих образцах подвергся сильному окислению. Был определен оптимальный протокол экстракции белков и липидов из кости. Образцы костей были получены в Зоологическом Музее МГУ. Полученные результаты описаны в публикации Yury Kostyukevich, Anna Bugrova, Vitaly Chagovets, Alexander Brzhozovskiy, Maria Indeykina, Anna Vanyushkina, Alexander Zherebker, Aleksandra Mitina, Alexey Kononikhin, Igor Popov, Philipp Khaitovich, Eugene Nikolaev Proteomic and lipidomic analysis of mammoth bone by high-resolution tandem mass spectrometry coupled with liquid chromatography European Journal of Mass Spectrometry 24 (6), 411-419 7) Были разработаны подходы к проведению реакции изотопного обмена (H/D и 16O/18O) в нефти с использованием сверхкритической воды. Количество обменов в каждой молекуле определялось методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения. Также исходные и изотопно-меченные образцы исследовались методом ЯМР. Было определено количество обменов 16О/18О в 276 молекулах и количество обменов водорода на дейтерий в 150 молекулах. Был разработан подход к детектированию фуранов в нефти. Были предложены структурные фрагменты, вероятно, присутствующие в молекулах нефти. Результаты описаны в публикации Yury Kostyukevich, Alexander Zherebker, Mikhail S Vlaskin, Vitaliy A Roznyatovsky, Yuri K Grishin, Eugene Nikolaev Speciation of structural fragments in crude oil by means of isotope exchange in near-critical water and Fourier transform mass spectrometry Analytical and bioanalytical chemistry, 2019. 8) Исследовались подходы к проведению реакции изотопного обмена в гуминовых веществах. Используя проведение реакции изотопного обмена в растворе с различным катализатором (DCl или NaOD) исследовалась структура индивидуальных молекул, входящих в состав гуминовых веществ угля. Было показано, что использование реакции дейтеро-водородного позволяет различать в индивидуальных молекулах гуминовых веществ фрагменты кумарилового и кониферилового спиртов. Данные результаты позволяют различать гуминовые вещества различного происхождения. Полученные результаты описаны в публикации Aleksander Zherebker, Irina V Perminova, Yury Kostyukevich, Alexey Kononikhin, Oleg Kharybin, Eugene Nikolaev Structural Investigation of Coal Humic Substances by Selective Isotopic Exchange and High-Resolution Mass Spectrometry Faraday Discussions 2019. 9) Были разработаны подходы к проведению реакции дейтеро-водородного обмена во время эксперимента по построению масс-спектрометрических изображений глиом. Исследовалась эффективность изотопного обмена ионов липидов в ионной воронке при давлении 10 Торр. Результаты готовятся к публикации. 10) Совместно с Центральной Химико-Токсикологической лабораторией НИИ фармации Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова Минздрава России были начаты работы по применению метода изотопного обмена для повышения достоверности идентификации лекарственных и наркотических веществ в моче человека. Была проведена оптимизация протоколов экстракции из мочи метаболитов и липидов. Были проведены хромато-масс-спектрометрические исследования полученных экстрактов. Были исследованы образцы мочи 34 человек, принимавших сильнодействующие лекарственные препараты. Используя разработанные в результате выполнения проекта методики изотопного обмена (H/D и 16O/18O) каждая молекула была охарактеризована не только временем выхода, точной массой и спектром фрагментации, но и количеством подвижных атомов водорода и кислорода. Информация о количестве обменов (количестве функциональных групп) использовалась при идентификации соединений при поиске по базам данных (HMDB, MzCloud). Показано, что применение изотопного обмена позволяет повысить достоверность идентификации более чем в 10 раз по сравнению с существующими подходами. Результаты готовятся к публикации.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В результате выполнения проекта в отчетном периоде были проведены следующие работы и получены следующие результаты: 1) Было налажено сотрудничество с Центральной Химико-Токсикологической лабораторией НИИ фармации Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова Минздрава России. Были получены образцы мочи людей, употреблявших наркотические препараты. Переданные образцы были предварительно проанализированы аттестованными методиками, применяющимися в ведомственных лабораториях для токсикологического анализа. 2) Был разработан и отлажен протокол анализа физиологических жидкостей человека, включающий в себя методики пробоподготовки, хромато-масс-спектрометрического анализа, обработки данных, а также разработанные методики изотопного обмена с использованием изготовленного ионного источника (Юрий Костюкевич, Александр Жеребкер, Евгений Николаев СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА Заявка № 2019118223/04(034872)). Были идентифицированы несколько сотен химических соединений, включая такие наркотические вещества как a-PVP, MDPV, мефердор и пр. 3) Используя разработанные методики сочетания реакций изотопного обмена и хромато-масс-спектрометрического анализа для каждого соединения были определены количества подвижных атомов водорода и кислорода. Так как количество подвижных атомов кислорода и водорода можно предсказать используя лишь информацию о структуре молекулы (текстовое представление молекулы в виде строки SMILES), то полученные экспериментально данные были использованы как параметры фильтрации при поиске по базам данных. Было показано, что использование данных изотопного обмена позволяет сократить пространство поиска более чем в 10 раз. Результаты были опубликованы в статье (Y Kostyukevich et al Hydrogen/Deuterium and 16O/18O exchange mass spectrometry can boost the reliability of the compound identification Anal. Chem. 2020 https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b05379). 4) Был разработан метод совмещения дейтеро-водородного обмена с масс-спектрометрическим имейджингом. Масс-спектрометрические изображения были получены методом MALDI при промежуточном давлении (10 торр) при этом в камеру были напущены пары тяжелой воды D2O. Образующиеся ионы вступали в реакцию изотопного обмена и обменивали подвижные атомы водорода на дейтерий. Информация о количестве подвижных атомов водорода использовалась для идентификации липидов. Результаты опубликованы в статье (Kostyukevich et al Hydrogen/Deuterium Exchange Aiding Compound Identification for LC-MS and MALDI Imaging Lipidomics Anal. Chem. 2019, 91, 21, 13465-13474). Также была продемонстрирована возможность повысить достоверность идентификации липидов путем совмещения изотопного обмена и хромато-масс-спектрометрического анализа. 5) Были начаты работы по разработке методов предсказания времен удерживания химических соединений на хроматографической колонке с использованием подходов QSAR, методов машинного обучения и публично доступных баз данных времен выхода. Разработано программное обеспечение, позволяющее предсказывать время выхода хроматографического пика на произвольной ВЭЖХ системе для широкого класса соединений. По результатам работ подана статья. 6) Были начаты работы по применению современных методов анализа мультиспектральных изображений для анализа данных масс-спектрометрического имейджинга для изучения молекулярной организации биологических тканей. Опробованы такие подходы как PCA, NMF, UMAP, t-SNE, структурная визуализация. Разработан алгоритм и программное обеспечение для информативного представления многомерных данных масс-спектрометрического имейджинга в виде двумерного рисунка, пригодного для визуального анализа врачом гистологом. Статья по результатам работ готовится к подаче в печать. 7) Были начаты работы по изучению и предсказанию путей столкновительной фрагментации малых молекул. Были начаты работы по вычислению возможных путей фрагментации на основе экспериментально обнаруженных фрагментных ионов. Для 100 соединений были построены деревья возможных путей фрагментации. На основе полученных данных была начата разработка модели, позволяющей предсказывать дерево фрагментации для произвольной молекулы. 8) Было начато сотрудничество с НИИ и музеем Антропологии МГУ в области изучения молекулярного состава древних исторических артефактов. Музеем были переданы нам для исследования образцы пелены древнеегипетской мумии, а также фрагменты соскобов с разных поверхностей мумии. 9) Были начаты работы по использованию автоматизированного интернет поиска с использованием алгоритмов анализа текста для определения наиболее вероятных соединений, встречающихся в данном природном объекте.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В результате выполнения проекта в отчетном периоде были проведены следующие работы и достигнуты следующие результаты: 1) Была создана коллекция из более 400 стандартных химических соединений. Большая часть соединений представляют класс лекарственных препаратов, а также родственные соединения (стандарты фармакологических примесей, продукты метаболизма и пр.). 2) Для стандартных соединений из собранной коллекции были измерены времена хроматографического выхода и спектры фрагментации на используемой в лаборатории хромата-масс-спектрометрический системе. Полученные результаты объединены в базу данных. Созданная база позволяет идентифицировать соединения из коллекции в произвольных биологических или природных объектах. 3) Был разработан подход к предсказанию времен удерживания химических соединений на хроматографической колонке с использованием подходов QSAR, базы METLIN (Domingo-Almenara et al. The METLIN small molecule dataset for machine learning-based retention time prediction Nature Communications volume 10, Article number: 5811 (2019)), методов машинного обучения и публично доступных баз данных времен удерживания. Были развиты подходы, позволяющие достоверно предсказывать время выхода хроматографического пика на произвольной ВЭЖХ системе для широкого класса соединений. Результаты опубликованы в статье S Osipenko, I Bashkirova, S Sosnin, O Kovaleva, M Fedorov, E Nikolaev and y Kostyukevich Machine learning to predict retention time of small molecules in nano-HPLC // Analytical and Bioanalytical Chemistry 412 (28), 7767-7776 4) Были развиты методы предсказания времен удерживания химических соединений на хроматографической колонке с использованием подходов трансферного обучения. Полученные результаты были опубликованы в статье Osipenko S, Botashev K, Nikolaev E, Kostyukevich Y. Transfer learning for small molecule retention predictions. Journal of chromatography. A. 2021 May;1644:462119. DOI: 10.1016/j.chroma.2021.462119. 5) Были начаты работы по исследованию эффективности использования метода молекулярных пар для предсказания линейных индексов удерживания химических соединений в газовой хроматографии. Было создано программное обеспечение, позволяющее визуализировать химическое пространство путем построения гомологических деревьев. Проведены исследования по сравнению точности предсказания индексов удерживания методом молекулярных пар и методами машинного обучения. 6) Были развиты подходы к анализу данных экспериментов по масс-спектрометрической визуализации. Был предложен метод структурной визуализации. Предложенный подход позволил четко визуализировать на молекулярном уровне молекулярный слой, гранулярный слой и белое вещество в срезах мозжечка шимпанзе и макаки. Результаты опубликованы в статье Sarycheva A, Grigoryev A, Sidorchuk D, Vladimirov G, Khaitovich P, Efimova O, Gavrilenko O, Stekolshchikova E, Nikolaev EN, Kostyukevich Y. Structure-Preserving and Perceptually Consistent Approach for Visualization of Mass Spectrometry Imaging Datasets. Anal Chem. 2021 Jan 26;93(3):1677-1685. doi: 10.1021/acs.analchem.0c04256. Epub 2020 Dec 29. PMID: 33373190. 7) Были проведены эксперименты по применению метода изотопного обмена (H/D и 16О/18О) для анализа молекулярного состава мочи. Были выявлены недостатки и ограничения предлагаемой ранее методики проведения реакции обмена кислорода на изотоп 18О. 8) Были начаты эксперименты по анализу методом хромата-масс-спектрометрии сточных вод. На примере здания университета Сколтеха было продемонстрировано обнаружение в образцах сточных вод, отобранных из канализационных колодцев, кофеина, никотина, а также некоторых наркотических обезболивающих. 9) Был проведен анализ пелены древнеегипетской мумии, предоставленной НИИ и музеем Антропологии МГУ. Были проведены заборы образцов во время реставрационных работ от древнеегипетских мумий из Пермской художественной галереи. 10) Для 300 соединений из собранной коллекции стандартных химических соединений были измерены спектры фрагментации после проведения реакции H/D и 16О/18О обмена. Получена уникальная, единственная в своем роде база данных спектров фрагментации для соединений, меченных по изотопам D и 18О. Созданная база данных опубликована на сайте лаборатории: https://www.skoltech.ru/massspeclab/downloads/ 11) Было разработано программное обеспечение PyFragMs, для аннотирования и приписывания структуры ионам, регистрируемым в эксперименте по столкновительной фрагментации. Разработанное программное обеспечение вычисляет деревья фрагментации - направленные графы, несущие информацию о процессах и механизмах, происходящих во время столкновительной фрагментации. Анализ деревьев фрагментации изотопно меченных стандартных соединений позволил изучить пути и механизмы столкновительной фрагментации. Удалось сформулировать правила, позволяющие объяснить места фрагментации молекулы в зависимости от сайта протонирования.