Development of infrared laser ionization techniques for high throughput mass spectrometry of membrane proteins

• Project/Area Number: 16H03291
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Chemical biology
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: HAZAMA Hisanao 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70437375)
• Research Collaborator: IWADE Ayaka ; IGUCHI Yasunari ; HASHIYA Homare ; KIMURA Koichi
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000); Fiscal Year 2018: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2017: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2016: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: 膜タンパク質 / 赤外線レーザー / レーザーイオン化質量分析 / 液体クロマトグラフィー / 生体分子計測

Outline of Final Research Achievements

Infrared laser ionization techniques have been developed for high throughput liquid chromatography/mass spectrometry (LC/MS) of membrane proteins. LC/MS of a mixture of 10 peptides was succeeded with the infrared laser ionization. Ion signal intensity was increased to about 1.8 times by reducing the pressure of the ionization source to about 70% of the atmospheric pressure. Ion signal intensity has been improved more than 10 times by applying charges to the desorbed samples using electrospray, and it was shown that this ionization method has higher tolerance to additives such as surfactants compared with electrospray ionization generally used in LC/MS.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体内分子の分析で広く用いられている現状のLC/MSでは、水に対して難溶性である膜タンパク質の分析が極めて困難である。この主要因として膜タンパク質の可溶化に用いられる界面活性剤や尿素などの変性剤によるLC後のイオン化の妨害が挙げられる。本研究課題で開発した赤外線レーザーを用いた新規イオン化技術を用いると、LCの溶出液から膜タンパク質を直接イオン化させることも可能であると考えられ、LCとMSをオンラインで接続したLC/MSによる膜タンパク質の高速な分析の実現によって、プロテオミクスや新規医薬品開発におけるブレークスルーが期待できる。

Research Products

• [Journal Article] マウス皮膚内における経皮投与薬剤のレーザーイオン化質量分析イメージング (2019)
  • Author(s): 福井裕毅, 間久直, 山咲太希, 伊藤沙耶美, 岡田直貴, 粟津邦男
  • Journal Title: 電気学会 光・量子デバイス研究会資料 Volume: OQD-19-001・003～006 Pages: 11-15
• [Journal Article] 投影型イメージング質量分析用ピクセル検出器の開発 (2018)
  • Author(s): 間久直, 本堂敏信, 松岡久典, 青木順, 河井洋輔, 豊田岐聡, 粟津邦男, 池辺将之, 藤田陽一, 新井康夫
  • Journal Title: 電気学会 光・量子デバイス研究会資料 Volume: OQD-18-053～058 Pages: 15-19
• [Journal Article] 迅速なタンパク質の質量分析に向けた赤外レーザーエレクトロスプレーイオン化法の開発 (2018)
  • Author(s): 木村公一, 間久直, 粟津邦男
  • Journal Title: 電気学会 光・量子デバイス研究会資料 Volume: OQD-18-001～009 Pages: 21-26
• [Journal Article] Continuous flow reduced-pressure infrared laser desorption/ionization mass spectrometry (2017)
  • Author(s): Yasunari Iguchi, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Journal Title: Rapid Communications in Mass Spectrometry Volume: 31 Issue: 21 Pages: 1845-1850
  • DOI: 10.1002/rcm.7970
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Matrices for MALDI Using an Infrared Laser (2016)
  • Author(s): 間久直, 粟津邦男
  • Journal Title: Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan Volume: 64 Issue: 5 Pages: 183-186
  • DOI: 10.5702/massspec.S16-38
  • NAID: 130005421352
  • ISSN: 1340-8097, 1880-4225, 1884-3271
  • Open Access
• [Journal Article] 波長3および6 μm帯赤外レーザーによる大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化の比較 (2016)
  • Author(s): 間久直, 岩出彩花, 粟津邦男
  • Journal Title: Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan Volume: 64 Issue: 6 Pages: 237-243
  • DOI: 10.5702/massspec.16-79
  • NAID: 130005250161
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] マウス皮膚内における経皮投与薬剤のレーザーイオン化質量分析イメージング (2019)
  • Author(s): 福井裕毅, 間久直, 山咲太希, 伊藤沙耶美, 岡田直貴, 粟津邦男
  • Organizer: 電気学会 光・量子デバイス研究会（バイオメディカルフォトニクス応用）
• [Presentation] 透過照射光学系を用いた大気圧レーザーイオン化による細胞スケールイメージング質量分析 (2019)
  • Author(s): 川井颯人, オボンナ ソチ, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 第67回質量分析総合討論会
• [Presentation] マウス皮膚組織に経皮投与した薬剤のイメージング質量分析を用いた動態解析 (2019)
  • Author(s): 福井裕毅, 間久直, 山咲太希, 伊藤沙耶美, 岡田直貴, 粟津邦男
  • Organizer: 第67回質量分析総合討論会
• [Presentation] Measurement of temporal changes in the distribution of imiquimod administrated transdermally to mouse skin tissue using imaging mass spectrometry (2019)
  • Author(s): Yuki Fukui, Hisanao Hazama, Taiki Yamasaki, Sayami Ito, Naoki Okada, Kunio Awazu
  • Organizer: 67th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大気圧連続流赤外レーザーエレクトロスプレーイオン化法を用いた緩衝液または塩を含んだぺプチド試料の測定およびESI法との比較 (2018)
  • Author(s): 木村公一, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 日本質量分析学会・日本プロテオーム学会2018年合同大会
• [Presentation] 細胞内分子イメージングに向けた大気圧レーザーイオン化質量分析のための透過照射光学系の開発 (2018)
  • Author(s): 川井颯人, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 日本質量分析学会・日本プロテオーム学会2018年合同大会
• [Presentation] 経皮投与したアジュバントのイメージング質量分析による動態解析 (2018)
  • Author(s): 福井裕毅, 間久直, 伊藤沙耶美, 岡田直貴, 粟津邦男
  • Organizer: 日本質量分析学会・日本プロテオーム学会2018年合同大会
• [Presentation] Comparison of continuous flow infrared desorption electrospray ionization and ESI in measurement of peptide solution containing detergent or buffer (2018)
  • Author(s): Koichi Kimura, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Organizer: 66th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1 μm spatial resolution imaging MS of intracellular molecules using atmospheric pressure laser ionization with a transmission geometry optical system (2018)
  • Author(s): Hayato Kawai, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Organizer: 66th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マウスに経皮投与したアジュバントのイメージング質量分析による動態解析 (2018)
  • Author(s): 福井裕毅, 間久直, 伊藤沙耶美, 岡田直貴, 粟津邦男
  • Organizer: 第31回日本レーザー医学会関西地方会
• [Presentation] 投影型イメージング質量分析用ピクセル検出器の開発 (2018)
  • Author(s): 間久直, 本堂敏信, 松岡久典, 青木順, 河井洋輔, 豊田岐聡, 粟津邦男, 池辺将之, 藤田陽一, 新井康夫
  • Organizer: 電気学会 光・量子デバイス研究会（バイオメディカルフォトニクス応用）
• [Presentation] 大気圧レーザーイオン化質量分析による細胞内分子イメージングに向けた透過型レーザー照射光学系の開発 (2018)
  • Author(s): 川井颯人, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第38回年次大会
• [Presentation] 迅速なタンパク質の質量分析に向けた赤外レーザーエレクトロスプレーイオン化法の開発 (2018)
  • Author(s): 木村公一, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 電気学会 光・量子デバイス研究会（バイオメディカルフォトニクス応用）
• [Presentation] Comparison of continuous flow infrared desorption electrospray ionization and ESI in mesurement of peptide solution containing dtergent or buffer (2018)
  • Author(s): Koichi Kimura, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Organizer: 66th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ペプチドおよびタンパク質のオンラインLC/MSに向けた連続流赤外レーザーエレクトロスプレーイオン化技術の開発 (2017)
  • Author(s): 木村公一, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 第65回質量分析総合討論会
• [Presentation] Development of a continuous flow infrared MALDESI source for online LC/MS analysis of peptides and proteins (2017)
  • Author(s): Koichi Kimura, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Organizer: 65th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中赤外レーザーの医療応用 (2017)
  • Author(s): 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 月刊オプトロニクスセミナー『注目の中赤外レーザーとその応用』
  • Invited
• [Presentation] 膜タンパク質のLC/MS感度向上に向けた赤外レーザーイオン源の圧力の検討 (2016)
  • Author(s): 井口泰成, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 第64回質量分析総合討論会
• [Presentation] 大気圧赤外レーザーイオン化法の検出感度向上に向けた、四重極飛行時間型質量分析計とレーザーパルスの同期 (2016)
  • Author(s): 橋谷帆稀, 井口泰成, 間久直, 粟津邦男
  • Organizer: 第64回質量分析総合討論会
• [Presentation] Sensitivity improvement of infrared laser atmospheric pressure ionization mass spectrometry by synchronizing a Q-TOF mass spectrometer and the laser pulse (2016)
  • Author(s): Homare Hashiya, Yasunari Iguchi, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Organizer: 64th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a reduced pressure infrared laser ionization source as a novel interface for online LC/MS (2016)
  • Author(s): Yasunari Iguchi, Hisanao Hazama, and Kunio Awazu
  • Organizer: 64th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 大阪大学 大学院工学研究科 粟津研究室ホームページ
  • URL: http://www.see.eng.osaka-u.ac.jp/seemb/seemb/