Quantitative high performance liquid chromatography/tandem mass spectrometric analysis of the four classes of F2-isoprostanes in human urine

Isoprostanes (iPs) are free radical catalyzed prostaglandin isomers. Analysis of individual isomers of PGF2α—F2-iPs—in urine has reflected lipid peroxidation in humans. However, up to 64 F2-iPs may be formed, and it is unknown whether coordinate generation, disposition, and excretion of F2-iPs occurs in humans. To address this issue, we developed methods to measure individual members of the four structural classes of F2-iPs, using liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC/MS/MS), in which sample preparation is minimized. Authentic standards of F2-iPs of classes III, IV, V, and VI were used to identify class-specific ions for multiple reaction monitoring. Using iPF2α-VI as a model compound, we demonstrated the reproducibility of the assay in human urine. Urinary levels of all F2-iPs measured were elevated in patients with familial hypercholesterolemia. However, only three of eight F2-iPs were elevated in patients with congestive heart failure, compared with controls. Paired analyses by GC/MS and LC/MS/MS of iPF2α-VI in hypercholesterolemia and of 8,12-iso-iPF2α-VI in congestive heart failure were highly correlated. This approach will permit high throughput analysis of multiple iPs in human disease.

Contribution of Malic Enzyme, Pyruvate Kinase, Phosphoenolpyruvate Carboxylase, and the Krebs Cycle to Respiration and Biosynthesis and to Intracellular pH Regulation during Hypoxia in Maize Root Tips Observed by Nuclear Magnetic Resonance Imaging and Gas Chromatography-Mass Spectrometry1

In vivo pyruvate synthesis by malic enzyme (ME) and pyruvate kinase and in vivo malate synthesis by phosphoenolpyruvate carboxylase and the Krebs cycle were measured by 13C incorporation from [1-13C]glucose into glucose-6-phosphate, alanine, glutamate, aspartate, and malate. These metabolites were isolated from maize (Zea mays L.) root tips under aerobic and hypoxic conditions. 13C-Nuclear magnetic resonance spectroscopy and gas chromatography-mass spectrometry were used to discern the positional isotopic distribution within each metabolite. This information was applied to a simple precursor-product model that enabled calculation of specific metabolic fluxes. In respiring root tips, ME was found to contribute only approximately 3% of the pyruvate synthesized, whereas pyruvate kinase contributed the balance. The activity of ME increased greater than 6-fold early in hypoxia, and then declined coincident with depletion of cytosolic malate and aspartate. We found that in respiring root tips, anaplerotic phosphoenolpyruvate carboxylase activity was high relative to ME, and therefore did not limit synthesis of pyruvate by ME. The significance of in vivo pyruvate synthesis by ME is discussed with respect to malate and pyruvate utilization by isolated mitochondria and intracellular pH regulation under hypoxia.

Sequence tag identification of intact proteins by matching tanden mass spectral data against sequence data bases.

Molecular and fragment ion data of intact 8- to 43-kDa proteins from electrospray Fourier-transform tandem mass spectrometry are matched against the corresponding data in sequence data bases. Extending the sequence tag concept of Mann and Wilm for matching peptides, a partial amino acid sequence in the unknown is first identified from the mass differences of a series of fragment ions, and the mass position of this sequence is defined from molecular weight and the fragment ion masses. For three studied proteins, a single sequence tag retrieved only the correct protein from the data base; a fourth protein required the input of two sequence tags. However, three of the data base proteins differed by having an extra methionine or by missing an acetyl or heme substitution. The positions of these modifications in the protein examined were greatly restricted by the mass differences of its molecular and fragment ions versus those of the data base. To characterize the primary structure of an unknown represented in the data base, this method is fast and specific and does not require prior enzymatic or chemical degradation.

Ice as a matrix for IR-matrix-assisted laser desorption/ionization: mass spectra from a protein single crystal.

Lasers emitting in the ultraviolet wavelength range of 260-360 nm are almost exclusively used for matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS) of macromolecules. Reports about the use of lasers emitting in the infrared first appeared in 1990/1991. In contrast to MALDI in the ultraviolet, a very limited number of reports on IR-MALDI have since been published. Several matrices have been identified for infrared MALDI yielding spectra of a quality comparable to those obtained in the ultraviolet. Water (ice) was recognized early as a potential matrix because of its strong O-H stretching mode near 3 microm. Interest in water as matrix derives primarily from the fact that it is the major constituent of most biological tissues. If functional as matrix, it might allow the in situ analysis of macromolecular constituents in frozen cell sections without extraction or exchanging the water. We present results that show that IR-MALDI of lyophilized proteins, air dried protein solutions, or protein crystals up to a molecular mass of 30 kDa is possible without the addition of any separate matrix. Samples must be frozen to retain a sufficient fraction of the water of hydration in the vacuum. The limited current sensitivity, requiring at least 10 pmol of protein for a successful analysis needs to be further improved.

Mass spectrometric amino acid sequencing of a mixture of seed storage proteins (napin) from Brassica napus, products of a multigene family.

The amino acid sequences of a number of closely related proteins ("napin") isolated from Brassica napus were determined by mass spectrometry without prior separation into individual components. Some of these proteins correspond to those previously deduced (napA, BngNAP1, and gNa), chiefly from DNA sequences. Others were found to differ to a varying extent (BngNAP1', BngNAP1A, BngNAP1B, BngNAP1C, gNa', and gNaA). The short chains of gNa and gNa' and of BngNAP1 and BngNAP1' differ by the replacement of N-terminal proline by pyroglutamic acid; the long chains of gNaA and BngNAP1B contain a six amino acid stretch, MQGQQM, which is present in gNa (according to its DNA sequence) but absent from BngNAP1 and BngNAP1C. These alternations of sequences between napin isoforms are most likely due to homologous recombination of the genetic material, but some of the changes may also be due to RNA editing. The amino acids that follow the untruncated C termini of those napin chains for which the DNA sequences are known (napA, BngNAP1, and gNa) are aromatic amino acids. This suggests that the processing of the proprotein leading to the C termini of the two chains is due to the action of a protease that specifically cleaves a G/S-F/Y/W bond.

Rapid mass spectrometric peptide sequencing and mass matching for characterization of human melanoma proteins isolated by two-dimensional PAGE.

We report a general mass spectrometric approach for the rapid identification and characterization of proteins isolated by preparative two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. This method possesses the inherent power to detect and structurally characterize covalent modifications. Absolute sensitivities of matrix-assisted laser desorption ionization and high-energy collision-induced dissociation tandem mass spectrometry are exploited to determine the mass and sequence of subpicomole sample quantities of tryptic peptides. These data permit mass matching and sequence homology searching of computerized peptide mass and protein sequence data bases for known proteins and design of oligonucleotide probes for cloning unknown proteins. We have identified 11 proteins in lysates of human A375 melanoma cells, including: alpha-enolase, cytokeratin, stathmin, protein disulfide isomerase, tropomyosin, Cu/Zn superoxide dismutase, nucleoside diphosphate kinase A, galaptin, and triosephosphate isomerase. We have characterized several posttranslational modifications and chemical modifications that may result from electrophoresis or subsequent sample processing steps. Detection of comigrating and covalently modified proteins illustrates the necessity of peptide sequencing and the advantages of tandem mass spectrometry to reliably and unambiguously establish the identity of each protein. This technology paves the way for studies of cell-type dependent gene expression and studies of large suites of cellular proteins with unprecedented speed and rigor to provide information complementary to the ongoing Human Genome Project.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Carbon-, sulfur-, and phosphorus-based charge transfer reactions in inductively coupled plasma–atomic emission spectrometry

In this work, the influence of carbon-, sulfur-, and phosphorus-based charge transfer reactions on the emission signal of 34 elements (Ag, Al, As, Au, B, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Hg, I, In, Ir, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Pd, Pt, S, Sb, Se, Sr, Te, and Zn) in axially viewed inductively coupled plasma–atomic emission spectrometry has been investigated. To this end, atomic and ionic emission signals for diluted glycerol, sulfuric acid, and phosphoric acid solutions were registered and results were compared to those obtained for a 1% w w− 1 nitric acid solution. Experimental results show that the emission intensities of As, Se, and Te atomic lines are enhanced by charge transfer from carbon, sulfur, and phosphorus ions. Iodine and P atomic emission is enhanced by carbon- and sulfur-based charge transfer whereas the Hg atomic emission signal is enhanced only by carbon. Though signal enhancement due to charge transfer reactions is also expected for ionic emission lines of the above-mentioned elements, no experimental evidence has been found with the exception of Hg ionic lines operating carbon solutions. The effect of carbon, sulfur, and phosphorus charge transfer reactions on atomic emission depends on (i) wavelength characteristics. In general, signal enhancement is more pronounced for electronic transitions involving the highest upper energy levels; (ii) plasma experimental conditions. The use of robust conditions (i.e. high r.f. power and lower nebulizer gas flow rates) improves carbon, sulfur, and phosphorus ionization in the plasma and, hence, signal enhancement; and (iii) the presence of other concomitants (e.g. K or Ca). Easily ionizable elements reduce ionization in the plasma and consequently reduce signal enhancement due to charge transfer reactions.

Dissolved organic carbon concentrations, amino sugar concentrations and highly significantly correlating FT-ICR mass peak magnitudes obtained from solid phase extracted marine dissolved organic matter during POLARSTERN cruise ANT-XXV/1

Dissolved organic matter (DOM) was extracted with solid phase extraction (SPE) from 137 water samples from different climate zones and different depths along an Eastern Atlantic Ocean transect. The extracts were analyzed with Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) with electrospray ionization (ESI). D14C analyses were performed on subsamples of the SPE-DOM. In addition, the amount of dissolved organic carbon was determined for all water and SPE-DOM samples as well as the yield of amino sugars for selected samples. Linear correlations were observed between the magnitudes of 43% of the FT-ICR mass peaks and the extract D14C values. Decreasing SPE-DOM D14C values went along with a shift in the molecular composition to higher average masses (m/z) and lower hydrogen/carbon (H/C) ratios. The correlation was used to model the SPE-DOM D14C distribution for all 137 samples. Based on single mass peaks a degradation index was developed to compare the degradation state of marine SPE-DOM samples analyzed with FT-ICR MS. A correlation between D14C, degradation index, DOC values and amino sugar yield supports that SPE-DOM analyzed with FT-ICR MS reflects trends of bulk DOM. A relative mass peak magnitude ratio was used to compare aged SPE-DOM and fresh SPE-DOM regarding single mass peaks. The magnitude ratios show a continuum of different reactivities for the single compounds. Only few of the compounds present in the FT-ICR mass spectra are expected to be highly degraded in the oldest water masses of the Pacific Ocean. All other compounds should persist partly thermohaline circulation. Prokaryotic (bacterial) production, transformation and accumulation of this very stable DOM occurs probably primarily in the upper ocean. This DOM is an important contribution to very old DOM, showing that production and degradation are dynamic processes.

Taxonomy of Australian Funnel-web spiders using rp-HPLC/ESI-MS profiling techniques

The complex nature of venom from spider species offers a unique natural source of potential pharmacological tools and therapeutic leads. The increased interest in spider venom molecules requires reproducible and precise identification methods. The current taxonomy of the Australian Funnel-web spiders is incomplete, and therefore, accurate identification of these spiders is difficult. Here, we present a study of venom from numerous morphologically similar specimens of the Hadronyche infensa species group collected from a variety of geographic locations in southeast Queensland. Analysis of the crude venoms using online reversed-phase high performance liquid chromatography/electrospray ionisation mass spectrometry (rp-HPLC/ESI-MS) revealed that the venom profiles provide a useful means of specimen identification, from the species level to species variants. Tables defining the descriptor molecules for each group of specimens were constructed and provided a quick reference of the relationship between one specimen and another. The study revealed that the morphologically similar specimens from the southeast Queensland region are a number of different species/species variants. Furthermore, the study supports aspects of the current taxonomy with respect to the H. infensa species group. Analysis of Australian Funnel-web spider venom by rp-HPLC/ESI-MS provides a rapid and accurate method of species/species variant identification. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Novel variants in growth differentiation factor 9 in mothers of dizygotic twins

Context: Genes from the ovarian bone morphogenetic signaling pathway (GDF9 and BMP15) are critical for normal human fertility. We previously identified a deletion mutation in GDF9 in sisters with spontaneous dizygotic (DZ) twins, but the prevalence of rare GDF9 variants in twinning families is unknown. Objective: The objective was to evaluate the frequency of rare variants in GDF9 in families with a history of DZ twinning. Design and Subjects: We recruited 3450 individuals from 915 DZ twinning families (1693 mothers of twins) and 1512 controls of Caucasian origin. One mother of DZ twins was selected from 279 of the 915 families, and a DNA sample was screened for rare variants in GDF9 using denaturant HPLC. Variants were confirmed by DNA sequencing and genotyped in the entire sample by matrix-assisted laser desorption ionization time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry. Results: We found two novel insertion/deletions (c.392-393insT, c.1268-1269delAA) and four missense alterations in the GDF9 sequence in mothers of twins. Two of the missense variants (c.307C > T, p.Pro103Ser and c.362C > T, p.Thr121Leu) were located in the proregion of GDF9 and two (c.1121C > T, p.Pro374Leu and c.1360C > T, p.Arg454Cys) in the mature protein region. For each variant, the frequencies were higher in cases compared with controls. The proportion of mothers of DZ twins carrying any variant (4.12%) was significantly higher (P < 0.0001) than the proportion of carriers in controls (2.29%). Conclusion: We describe new variants in the GDF9 gene that are significantly more common in mothers of DZ twins than controls, suggesting that rare GDF9 variants contribute to the likelihood of DZ twinning.

Mechanical properties and the evolution of matrix molecules in PTFE upon irradiation with MeV alpha particles

The morphology, chemical composition, and mechanical properties in the surface region of α-irradiated polytetrafluoroethylene (PTFE) have been examined and compared to unirradiated specimens. Samples were irradiated with 5.5 MeV 4He2+ ions from a tandem accelerator to doses between 1 × 106 and 5 × 1010 Rad. Static time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), using a 20 keV C60+ source, was employed to probe chemical changes as a function of a dose. Chemical images and high resolution spectra were collected and analyzed to reveal the effects of a particle radiation on the chemical structure. Residual gas analysis (RGA) was utilized to monitor the evolution of volatile species during vacuum irradiation of the samples. Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the morphological variation of samples with increasing a particle dose, and nanoindentation was engaged to determine the hardness and elastic modulus as a function of a dose. The data show that PTFE nominally retains its innate chemical structure and morphology at a doses <109 Rad. At α doses ≥109 Rad the polymer matrix experiences increased chemical degradation and morphological roughening which are accompanied by increased hardness and declining elasticity. At  α doses >1010 Rad the polymer matrix suffers severe chemical degradation and material loss. Chemical degradation is observed in ToF-SIMS by detection of ions that are indicative of fragmentation, unsaturation, and functionalization of molecules in the PTFE matrix. The mass spectra also expose the subtle trends of crosslinking within the α-irradiated polymer matrix. ToF-SIMS images support the assertion that chemical degradation is the result of a particle irradiation and show morphological roughening of the sample with increased a dose. High resolution SEM images more clearly illustrate the morphological roughening and the mass loss that accompanies high doses of a particles. RGA confirms the supposition that the outcome of chemical degradation in the PTFE matrix with continuing irradiation is evolution of volatile species resulting in morphological roughening and mass loss. Finally, we reveal and discuss relationships between chemical structure and mechanical properties such as hardness and elastic modulus.

The utilization of chiral ion mobility spectrometry for the detection of enantiomeric mixtures and thermally labile compounds

This dissertation utilized electrospray ion mobility mass spectrometry (ESI-IMS-MS) to develop methods necessary for the separation of chiral compounds of forensic interest. The compounds separated included ephedrines and pseudoephedrines, that occur as impurities in confiscated amphetamine type substances (ATS) in an effort to determine the origin of these substances. The ESI-IMS-MS technique proved to be faster and more cost effective than traditional chromatographic methods currently used to conduct chiral separations such as gas and liquid chromatography. Both mass spectrometric and computational analysis revealed the separation mechanism of these chiral interactions allowing for further development to separate other chiral compounds by IMS. Successful separation of chiral compounds was achieved utilizing a variety of modifiers injected into the IMS drift tube. It was found that the modifiers themselves did not need to be chiral in nature and that achiral modifiers were sufficient in performing the required separations. The ESI-IMS-MS technique was also used to detect thermally labile compounds which are commonly found in explosive substances. The methods developed provided mass spectrometric identification of the type of ionic species being detected from explosive analytes as well as the appropriate solvent that enhances detection of these analytes in either the negative or positive ion mode. An application of the developed technique was applied to the analysis of a variety of low explosive smokeless powder samples. It was found that the developed ESI-IMS-MS technique not only detected the components of the smokeless powders, but also provided data that allowed the classification of the analyzed smokeless powders by manufacturer or make. ^

The Development of High Performance Liquid Chromatography Systems for the Analysis of Improvised Explosives

Existing instrumental techniques must be adaptable to the analysis of novel explosives if science is to keep up with the practices of terrorists and criminals. The focus of this work has been the development of analytical techniques for the analysis of two types of novel explosives: ascorbic acid-based propellants, and improvised mixtures of concentrated hydrogen peroxide/fuel. In recent years, the use of these explosives in improvised explosive devices (IEDs) has increased. It is therefore important to develop methods which permit the identification of the nature of the original explosive from post-blast residues. Ascorbic acid-based propellants are low explosives which employ an ascorbic acid fuel source with a nitrate/perchlorate oxidizer. A method which utilized ion chromatography with indirect photometric detection was optimized for the analysis of intact propellants. Post-burn and post-blast residues if these propellants were analyzed. It was determined that the ascorbic acid fuel and nitrate oxidizer could be detected in intact propellants, as well as in the post-burn and post-blast residues. Degradation products of the nitrate and perchlorate oxidizers were also detected. With a quadrupole time-of-flight mass spectrometer (QToFMS), exact mass measurements are possible. When an HPLC instrument is coupled to a QToFMS, the combination of retention time with accurate mass measurements, mass spectral fragmentation information, and isotopic abundance patterns allows for the unequivocal identification of a target analyte. An optimized HPLC-ESI-QToFMS method was applied to the analysis of ascorbic acid-based propellants. Exact mass measurements were collected for the fuel and oxidizer anions, and their degradation products. Ascorbic acid was detected in the intact samples and half of the propellants subjected to open burning; the intact fuel molecule was not detected in any of the post-blast residue. Two methods were optimized for the analysis of trace levels of hydrogen peroxide: HPLC with fluorescence detection (HPLC-FD), and HPLC with electrochemical detection (HPLC-ED). Both techniques were extremely selective for hydrogen peroxide. Both methods were applied to the analysis of post-blast debris from improvised mixtures of concentrated hydrogen peroxide/fuel; hydrogen peroxide was detected on variety of substrates. Hydrogen peroxide was detected in the post-blast residues of the improvised explosives TATP and HMTD.

The role of protein oxidation in ageing & disease

Ageing is a natural phenomenon of the human lifecycle, yet it is still not understood what causes the deterioration of the human body near the end of the lifespan. One popular theory is the Free Radical Theory of Ageing, which proposes that oxidative damage to biomolecules causes ageing of tissues. The ageing population is affected by many chronic diseases. This study focused on sarcopenia (muscle loss in ageing) and obesity as two models for comparison of oxidative damage in muscle proteins in mice. The aim of the study was to develop advanced mass spectrometry methods to detect specific oxidative modifications to mouse muscle proteins, including oxidation, nitration, chlorination, and carbonyl group formation, but western blotting was also used to provide complementary information on the oxidative state of proteins from aged and obese muscle. Mass spectrometry proved to be a powerful tool, enabling identification of the types of modifications present, the sites at which they were present and percentage of the peptide populations that were modified. Targeted and semi-targeted mass spectrometry methods were optimised for the identification and quantitation of the oxidised residues in muscle proteins. The development of the quantitative methods enabled comparisons of mass spectrometry instruments. Both the Time of Flight and QTRAP systems showed advantages of using the different mass analysers to quantify oxidative modifications. Several oxidised residues were characterised and quantified in both the obese and sarcopenic models, and higher levels of oxidation were found compared to their control counterparts. Residues found to be oxidised were oxidation of proline, tyrosine and tryptophan, dioxidation of methionine, allysine and nitration of tyrosine. However quantification was performed on methionine dioxidation and cysteine trioxidation containing residues in SERCA. The combination of measuring residue susceptibility and functional studies could contribute to understanding the overall role of oxidation in ageing and obesity.