粒子碰撞仪

近期，中国科学院近代物理研究所等机构的科研人员参与RHIC-STAR国际合作实验研究，首次在重离子碰撞实验中观测到超核的集体运动。该成果为研究致密核物质环境中的超核-核子相互作用开启了一个新的方向，相关成果于5月24日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。 超子是包含有奇异夸克（s）的重子，核子（质子和中子的统称）中只包含有上夸克（u）和下夸克（d）。超子和核子可以形成束缚态，人们称之为“超核”。理论预言宇宙中的致密天体——中子星的内部存在超子。然而，超子的出现将软化核物质状态方程，这给理论上构建大质量的中子星带来了挑战，被称为中子星研究中的 “超子谜题”。 实验上测量致密核介质中的超子-核子相互作用强度，是解决“超子谜题”的关键步骤，同时对于理解强相互作用的理论——量子色动力学具有重要意义。超核集体运动实验测量数据可用于提取致密核介质中的超子-核子相互作用，有可能解决“超子谜题”。 据研究人员介绍，高能重离子碰撞是在实验室产生和研究致密核物质性质的独特工具。重离子碰撞过程中，粒子由于致密核物质内部压强梯度会产生集体运动（集体流），如直接流、椭圆流等。在实验中，科学家们已经观测到介子、重子、轻核的集体流。由于实验上产生的超核非常稀有，此前超核集体流测量研究尚属空白。 研究人员基于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）装置上的STAR实验3GeV金-金碰撞数据，重建得到约8400个超氚（由一个Λ超子、一个质子和一个中子构成）和约5200个超氢-4（由一个Λ超子、一个质子和两个中子构成）。这是目前实验上观测到的最大统计量的超氚和超氢-4数据样本。 研究团队首次在实验上观测到了这些超核具有显著的直接流。同时，他们还提取了超核和轻核直接流在中心快度区域的斜率。经过比较发现，轻核与超核的直接流斜率都存在一个相似的质量标度律，这意味着超核和轻核在重离子碰撞中的产生都可以用“并和过程”来解释。 这项工作为研究有限压力下的超子-核子相互作用开辟了一个新方向，对于建立核核碰撞和决定致密星体内部结构的状态方程之间的联系具有重要意义。 中子星是大质量恒星生命尽头塌缩形成的致密天体。近代物理所供图。

据美国加州大学欧文分校官网20日报道称，该校物理学家主导的“前向搜索实验”（FASER）首次探测到粒子对撞机产生的中微子，此前该团队曾观察到6个中微子之间的相互作用，此次新发现有望加深科学家对中微子的理解，还有助揭示行进较长距离与地球发生碰撞的宇宙中微子，为管窥遥远宇宙打开一扇窗。中微子无处不在，非常神奇，被称为宇宙的“隐形人”，是宇宙中数量最丰富的粒子。1956年，科学家首次探测到反应堆发出的中微子，确认了其存在。中微子在恒星燃烧过程中也发挥着关键作用。FASER联合发言人、欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理学家杰米博伊德解释道，中微子对建立粒子物理学标准模型非常重要，但科学家们此前从未探测到对撞机产生的中微子。FASER位于CERN内，旨在探测CERN著名的大型强子对撞机（LHC）产生的粒子。研究人员指出，他们从一个全新的来源，也就是粒子对撞机那里发现了中微子。目前物理学家研究的大多数中微子都是低能中微子，但FASER探测到的中微子是迄今实验室制造出的最高能量的中微子，与深空粒子在地球大气层中引发剧烈粒子簇射时发现的中微子相似。博伊德称，新发现的高能中微子能向人们揭示宇宙深空的奥秘，这是用其他方法无法获得的，LHC中发现的这些高能中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观测结果至关重要。除探测中微子外，FASER的另一个主要目标是识别出构成暗物质的粒子。物理学家认为，暗物质构成了宇宙中的大部分物质，但从未被直接观测到。FASER尚未发现暗物质的“蛛丝马迹”，不过，随着LHC将在几个月后开始新一轮粒子对撞，科学家们期待看到一些令人兴奋的信号。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Ion Mobility-Mass Spectrometry and Collision-Induced Unfolding of Designed Bispecific Antibody Therapeutics1，文章的通讯作者是密歇根大学的Brandon副教授。　　双特异性抗体(bispecific antibodies, bsAbs)是一类重要的新兴疗法，能够同时靶向两种不同的抗原，已被开发作为对某些单克隆抗体疗效有限疾病的治疗手段。尽管bsAbs具有独特的优势，但它的结构较为复杂，需要特殊的制备工艺，“knobs-into-holes”(KiH)是其中一种可以用于制备bsAbs的技术，这种技术通过将knob链CH3结构域表面的特定氨基酸突变为较大氨基酸，将hole链上的突变为较小氨基酸，从而实现“knobs-into-holes”的配对形式，提高不同轻重链在配对时的正确配对率，产生正确的bsAbs。然而，由于抗体治疗药物分子量较大，通常比传统的小分子药物表现出更大的结构复杂性和异质性，对KiH bsAb 高级结构的完整表征对定义bsAb的结构功能关系，以及确保最终治疗的稳定性、有效性和安全性都至关重要。目前已开发的分析方法有很多，但是普遍存在样品消耗量大、数据采集和解析时间较长等缺点。近年来，非变性离子迁移质谱(ion mobility-mass spectrometry, IM-MS)和碰撞诱导去折叠(collision-induced unfolding，CIU)逐渐被证实是用于分析单克隆抗体高级结构的有效方法，能够从存在结构异质性和杂质的几微克样品中表征单抗治疗药物的高级结构。IM可以根据气相蛋白离子的电荷和旋转平均碰撞截面(collision cross sections，CCSs)在毫秒时间尺度上对蛋白进行分离。当与质谱耦合时，可以很容易地将质荷比相同但CCS不同的离子区分开来，而CIU可以使IM-MS同步提供蛋白质结构和构象稳定性信息。CIU根据二硫键、糖基化水平、结构域交换特性等信息来区分差异。　　在这篇文章中，作者描述了定量CIU在bsAbs中的首次应用，扩展了非变性IM-MS和CIU的能力，用于稳定表征KiH bsAb及其亲本knob和hole同型二聚体单抗的高级结构。　　图1 Native、未修饰的knob(蓝色)和hole(橙色)同型二聚体，以及KiH bsAb异型二聚体(绿色)的CIU实验。(A)24+电荷态(左)及其相应重复RMSD基线(右)的平均CIU指纹图谱(n=3)。所有的指纹图谱都显示了白色虚线框所示的三个主要特征。在(B) 5 V、(C) 65 V、(D) 110 V时的标准化TWCCSN2分布。在较低的激活电位下，所有抗体均具有相似的CCS，在较高的加速电位下则存在显著差异。(E)两两的RMSD分析显示，与重复的RMSD基线(虚线)相比，抗体之间的整体高级结构差异。(F)CIU50分析说明了KiH bsAb模型的稳定性如何保持在knob和hole的同型二聚体之间。　　如图1所示，bsAb的稳定性似乎与本文研究的KiH模型的两个亲本同型二聚体单克隆抗体相关。在电压为65V时，KiH bsAb的TWCCSN2分布与亲本knob同型二聚体单抗的分布相似 而在110V时，则与亲本hole同型二聚体单抗的分布相似。并且KiH bsAb的稳定性介于两种亲本同型二聚体单抗的稳定性之间。与指纹图谱中记录的第一次CIU转换相对应的是CIU50-1值，第二次的则是CIU50-2值，从3组样本的数据分析推测，CIU50-1和CIU50-2很可能代表了KiH bsAb和mAb结构中不同结构域的局部稳定性。　　图2 knob和hole的半体CIU数据。(A)16+电荷态的平均CIU指纹图谱(n=3).(B)两两RMSD分析显示，半体之间的高级结构存在显著差异。(C)CIU50分析显示，蛋白质稳定性存在显著差异。　　为了更好地展示KiH bsAb不同结构域的CIU特征，作者记录了同型二聚体单抗IM-MS光谱中16+电荷态的knob和hole半体的CIU数据。从图2A的指纹图谱可以看出，每种结构都包含4种主要的CIU特征，但是图2B的RMSD分析显示两种半体的高级结构之间存在显著差异。CIU50分析进一步表明，在观察到的两次展开过渡中，knob半体明显比hole半体更稳定。作者推测造成这种CIU主要差距的原因可能是Fab结构域的差异。　　图3 Fab和Fc片段的CIU数据。(A)13+电荷态的平均CIU指纹图谱(n=3).(B)两两RMSD分析显示，knob和hole的Fab片段之间存在显著差异。(C)CIU50分析显示，不同片段之间稳定性存在显著差异。　　为了进一步将CIU特征联系到KiH bsAb的结构域当中，作者对木瓜蛋白酶消化后产生的Fab和Fc片段进行了CIU分析。从图3A可以看出，knob和hole的Fab片段都具有3种CIU特征，但是嵌合的Fc片段则具有4种CIU特征。尽管knob和hole的Fab片段具有相似的CIU指纹图谱，但是RMSD分析显示它们之间的高级结构仍然存在较大差异，并且knob的Fab片段稳定性明显高于hole的。至于Fc片段的稳定性则远高于两种Fab片段，可能的原因是重链CH3结构域的强非共价作用以及knobs-into-holes配对的影响。　　图4 去糖基化后的knob、hole同型二聚体和KiH bsAb异型二聚体24+离子(n=3)。(A)比较对照组和去糖基化抗体的RMSD分析显示，高级结构有显著差异。CIU50-1(B)和CIU50-2(C)分析显示抗体去糖基化后表现出显著的不稳定性。(D)对照组和去糖基化抗体之间的CIU50值差异图。　　先前的研究已经证明，CIU对不同水平的单抗糖基化很敏感，其中去糖基化会导致单抗高级结构的不稳定。作者利用高分辨率非变性轨道阱质谱分辨添加PNGaseF前后同型二聚体mAb和KiH bsAb糖型的变化。实验结果显示，KiH bsAb表现出高度糖异质性，包含至少12种不同的糖型。这很可能归因于组装的KiH bsAb中每个独立的knob和hole重链上存在独特的糖基化，进一步增加了其复杂性。　　总而言之，这篇文章展示了IM-MS结合CIU用于建立KiH bsAb及其亲本同型二聚体之间高级结构联系的能力。单独的CCS不足以解决此研究中抗体之间细微的高级结构差异。相比之下，CIU指纹图谱则可以分辨和区分每一个等截面的抗体。这一解释bsAb CIU细节的能力，加上对KiH bsAb稳定性的更深入理解，有可能提供支持KiH bsAb发现和发展的关键信息。　　撰稿：梁梓欣　　编辑：李惠琳　　文章引用：Ion Mobility-Mass Spectrometry and Collision-Induced Unfolding of Designed Bispecific Antibody Therapeutics　　李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　Villafuerte-Vega, R. C., Li, H. W., Slaney, T. R., Chennamsetty, N., Chen, G., Tao, L., & Ruotolo, B. T. (2023). Ion Mobility-Mass Spectrometry and Collision-Induced Unfolding of Designed Bispecific Antibody Therapeutics. Analytical Chemistry.