罗伯特·赫蒂希：用质谱技术解锁生物学奥秘 - 健康研究

罗伯特·“鲍勃”·赫蒂希在其职业生涯的大部分时间里都在能源部橡树岭国家实验室展示高性能分析测量（尤其是质谱技术）如何能够提供关于微小微生物及其对更大系统如植物和人类影响的深刻见解。

他使用质谱技术，这种技术通过测量由分子生成的离子的质量/电荷比来探索细胞机制和过程，揭示细菌、真菌和病毒如何相互关联并与其宿主互动。他对复杂环境中生物分子的研究使我们能够深入了解这些微生物在微生物组中的功能和适应性。这些信息有助于指导许多应用，例如微生物联合体——协同工作的微生物团队——如何增强植物健康，并支持国内生物经济的发展。

赫蒂希是橡树岭国家实验室的企业研究员，并领导该实验室的生物分析质谱小组。他因其质谱专业知识而广受认可，也是元蛋白质组学领域的创始人和全球领导者之一，元蛋白质组学涉及识别和分析微生物群落产生的蛋白质和肽。

赫蒂希与橡树岭国家实验室及其他机构的众多研究人员合作，表征微生物如何相互作用、影响土壤养分流动、促进生物修复、帮助生产生物燃料和生物产品、帮助植物宿主适应干旱、营养压力、疾病和害虫等条件，以及它们如何影响或响应人类健康状况。他还研究了高级蛋白质结构，探索决定其功能和与其他分子相互作用的三维形状和折叠，以更好地理解生物过程。

赫蒂希的工作得到了能源部科学办公室生物与环境研究计划项目的多种支持，包括橡树岭国家实验室领导的生物能源创新中心（CBI）和植物-微生物界面科学重点领域（PMI SFA）。

在他的39年职业生涯中，赫蒂希参与了橡树岭国家实验室几代生物质谱技术的开发和演示。他目前正监督建立新的尖端质谱设备，这将显著加速橡树岭国家实验室在更好植物和微生物方面的发现。

Q: 橡树岭国家实验室的新质谱能力是什么？

我们在橡树岭国家实验室刚刚安装了两台新的高性能质谱仪，这应该会在扫描速度、分辨率和样本处理量方面大幅提升我们的能力。

我们现有的质谱仪器扫描频率为8赫兹，每秒生成8个质谱图。主要的新质谱仪器运行频率为200赫兹，每秒生成200个质谱图，比现有设备提高了2500%。此外，该仪器还提供了480,000的超高分辨率，能够非常精确地测量复杂的分子，如蛋白质和代谢物。我们还获得了一台新的质谱仪器，可以扫描到40赫兹，比现有仪器更快，同时提供高质量测量能力，用于检测完整的蛋白质和其他生物分子。

我们还有直接连接到这些质谱系统的新型计算能力，以处理这些重大升级带来的数据涌入，提供实时数据收集、分析和存储。随着数据集的扩展，它们将继续推动橡树岭国家实验室的人工智能和高性能计算能力，进一步扩展我们对复杂生物系统的了解。

因为我们是国际上少数几个推动和发展元蛋白质组学的团队之一——即大规模研究整个微生物群落产生的蛋白质——我的部分工作是保持技术工具的进步。我们希望继续扩大我们进行最佳测量的能力，从而打开以前不可能的新理解之门。

世界上只有少数地方使用这些仪器，大多数都集中在人类健康研究上。橡树岭国家实验室的科学使命和在植物及微生物生物学方面的专长，加上这些新仪器，使我们在研究机构中非常独特。这些能力加强了我们在元蛋白质组学领域的顶级地位，推动了先进燃料、化学品和材料的创新，以及自然生态系统的恢复力。

Q: 我们可以从这些仪器中期待哪些优势？

我们使用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），其中样品首先被注入LC柱，化合物根据极性、大小或其他化学性质分离。当它们离开柱子时，进入质谱仪，在那里被电离、碎裂并根据其质量/电荷比检测。然后使用计算工具将这些质量与DNA序列预测的已知分子匹配，确定样品中到底有什么、有多少以及它的序列。

我们分析的样品是非常复杂的混合物，因此质谱仪试图尽可能快地扫描，以实时记录来自柱子的所有信息。使用较慢扫描速度的旧仪器，我们至少错过了柱子流出的一半信息。显然，新的更快扫描仪器提供了更广泛的检测深度和更好的测量质量，能够更深入、更全面地观察这些复杂生物系统的分子机制。测量时间也有显著减少：我们当前的测量需要大约3到5小时才能完成一个样品；而在新系统上，这可以减少到30-60分钟。这意味着更快的结果和更高的处理量。

凭借新主要仪器的480,000分辨率，我们获得了区分质谱图中非常接近的峰的能力。例如，稳定同位素标记是一种常见的实验方法，用于追踪生物系统中的碳或氮流动。借助这种高分辨率，我们应该能够更灵敏、更准确地表征一系列稳定同位素标签，这将使我们能够更好地追踪，例如，作为碳流动函数的氮限制。这样的知识可以帮助我们理解碳流动如何影响植物的氮吸收和生长。

另一个例子是识别我们在土壤环境或植物叶片上可能从未见过的微生物，因为它们的数量非常少。新仪器提供了显著增加的测量灵敏度（至少5倍），因此将提供更丰富的视图。我们现在应该能够看到之前未检测到的微生物及其功能，只是因为它们的数量太低而未能被发现。

Q: 到目前为止，我们已经用新技术取得了什么成果？

我们已经在测试提高的速度、灵敏度和蛋白质谱覆盖范围。分析一个复杂的微生物混合物在一个60分钟的会话中测量了超过250,000个独特的肽，几乎是现有设备和更长时间分析所能达到的测量深度的10倍。此外，我们评估了一个土壤样本的测量深度性能和测量微生物蛋白质的能力。结果中的蛋白质数量非常强，再次大大优于现有方法。

Q: 新仪器能实现哪些新的科学研究？

橡树岭国家实验室在使用全基因组关联研究（GWAS）作为CBI项目的一部分，将遗传变异与植物性状联系起来方面有着广泛的经验和成功。一种互补的方法是将实际的基因功能（即蛋白质）与有利性状联系起来，表明蛋白质组范围关联研究（PWAS）可能是有价值的。然而，由于测量大量样本的技术限制，进行PWAS一直无法实现。

通过PWAS，你可以了解蛋白质和代谢物实际上在做什么，而不是它们在基因组中显示的潜在功能。简单来说，基因组提供了食谱，而蛋白质组/代谢组揭示了蛋糕。通过监测数千个样本中的蛋白质，你可以更准确地将实际功能与基因联系起来。

结合GWAS和PWAS，我们应该能够更全面地识别驱动植物对环境反应的分子机制——例如干旱和疾病抗性、更大的生物量和作物产量。这将揭示与代谢途径相关的基因-蛋白质关联，帮助我们提高新型生物基燃料、化学品和材料的生产效率，并识别出最佳的微生物途径来分解和回收塑料，例如。

对于PMI SFA项目，新仪器可以帮助我们更好地理解生活在植物根部的微生物群落，包括这些微生物如何与植物交流、小分子交换、控制微生物组生长的因素，以及是否存在碳或氮限制。

新的质谱技术还使我们能够分析完整的蛋白质。与其将蛋白质消化成肽并查看其构建块，我们现在可以进行自上而下的完整结构分析。我们可以监测诸如蛋白质相互作用或带有甲基和磷酸等化学标签的蛋白质如何表现，以及蛋白质修饰如何动态控制功能。

Q: 这些能力还能支持哪些其他科学任务？

除了专注于环境微生物学外，我们还在人类微生物组研究方面非常活跃。这些系统类似于植物微生物组——它们都包含一个复杂的真核宿主，其中包含一个既定的微生物组，这在健康和不健康条件下可能会有所不同。

我们可以利用我们对植物和微生物相互作用的了解，开发一种通用架构来分析人体内复杂的环境。我们目前正在分析一个项目中的粪便样本，该项目研究帕金森病和类风湿关节炎背景下的人类微生物组的联系。即使是在初步测试中，我们也看到了新质谱技术带来的约10倍更深的测量结果。我们新的高通量能力应该能提供一个更全面的视角，揭示健康的人类微生物组与与紊乱或疾病相关的微生物组之间的差异。