Design moléculaire pour la lecture MS/MS haut débit de polymères encodés – shapeNread

Afin de rationaliser leur synthèse, les marqueurs seront conçus par modélisation moléculaire pour conférer aux segments des sections efficaces de collision (CCS) suffisamment différentes pour qu’ils soient séparés en IMS. Le succès du projet shapeNread repose donc sur la capacité d’un modèle théorique à prédire les formes adoptées par les segments en fonction de leur marqueur pour ne synthétiser que les seuls polymères ayant les structures les plus pertinentes. Ce modèle prédictif sera construit et évalué à l’aide d’une série de macromolécules déjà disponibles dont la CCS sera mesurée expérimentalement puis confrontée aux valeurs calculées. Les chaînes ciblées étant composées d’unités phosphodiesters facilement ionisables en mode négatif, une procédure de calibration fiable des anions en IMS devra d’abord être développée pour garantir la fiabilité des CCS expérimentales à même de valider les performances du modèle prédictif. Enfin, la gestion des données brutes (IMS et MS/MS) dans le logiciel MS-DECODER sera nécessaire pour le traitement en ligne des données digitales sans intervention utilisateur.

Les modifications du logiciel IMSCal pour son utilisation en mode négatif ont permis des erreurs inférieures à 2-3% pour les CCS d’anions modèles à différents états de charge, offrant les performances requises pour valider la stratégie prédictive envisagée [Int. J. Mass Spectrom. 2023, 492, 117112]. Basé sur une optimisation semi-empirique et la parallélisation des calculs, le protocole théorique développé a permis des économies de temps-machine substantielles mais plusieurs jours restent nécessaires pour l’obtention de la CCS théorique d’un segment. Cependant, la simulation de dynamique moléculaire a montré que les segments codés adoptent tous la même conformation en phase gazeuse : les 8 unités phosphodiester forment une pelote en dehors de laquelle pointe le marqueur (Illustration 1). D’un point de vue fondamental, ce résultat a permis de rationaliser les réactions parasites observées lors du séquençage MS/MS [Rapid Commun. Mass Spectrom. 2024, 38, 69852]. D’un point de vue expérimental, les 10 nitroxydes marqués disponibles comme réactifs de synthèse des PPDEs numériques [Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310801] ont pu servir de modèles simplifiés des segments, permettant au protocole de calculs de prédire rapidement trois nouveaux marqueurs [J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2024, 35, 534-541]. La structure encombrée de ces candidats n’a cependant pas permis leur intégration dans une synthèse efficace de PPDEs.

Pour contourner ce verrou, une approche alternative a été adoptée. L’examen détaillé des résultats IMS indique que seuls la composition comonomérique et le marqueur influencent la conformation du segment codé : la CCS augmente linéairement avec le nombre de bits 1 tandis que chaque marqueur modifie sensiblement le temps de séjour des segments dans la cellule de mobilité. En fonction de l’information à coder qui impose la composition comonomérique, un choix judicieux des marqueurs peut donc assurer la séparation IMS des segments (Illustration 11). Ainsi, la preuve de principe du séquençage en ligne a pu être apportée [Nat. Commun. 2025, 16, 11642] et ce couplage inédit réduit la durée de séquençage à 5 minutes, quel que soit le nombre de blocs.

Pour compenser la faible résolution de la technique IMS qui limite la séparation à 5 blocs, une dimension de stockage supplémentaire a été envisagée. Au lieu d’être codée dans une seule longue chaine, une information peut être inscrite dans plusieurs oligomères plus courts mais spatialement organisés sur une surface pour un décodage en mode imagerie. Les résultats obtenus avec la technique MALDI sont particulièrement prometteurs : d’une part, la première étape d’activation se déroule spontanément dans la source ; d’autre part, la formation exclusive d’anions monochargés minimise la dispersion des fragments, ce qui permet de réduire la durée totale du séquençage en ligne de 5 à 3 minutes.

Le projet shapeNread a permis de démontrer que le design moléculaire des polymères numériques pouvait être adapté pour permettre leur séquençage multi-étape par couplage de la mobilité ionique (IMS) avec la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). L’implémentation de ce couplage avec une source MALDI a permis une réduction supplémentaire de la durée de lecture et ouvert la perspective d’un décodage par imagerie MS/MS pour une automatisation complète du processus de lecture. Ces travaux sont en cours dans le cadre du projet PEPR MoleculArXiv. Le challenge résiduel consistera à traiter ces données multidimensionnelles avec le logiciel MS-DECODER.

Une publication dans des revues internationales à comité de lecture :

Design of abiological digital poly(phosphodiester)s.
L. Charles, J.-F Lutz
Accounts of Chemical Research 2021, 54 (7) 1791-1800

Une communication orale dans un congrès national:

Synthesis of alkoxyamine-containing mass-tags allowing optimal MS/MS sequencing of digital polymers.
T. Schutz, E. Laurent, L. Oswald, J.-L. Clément, D. Gigmes, L. Charles, J.-F. Lutz
SFC-Alsace Young Scientist Webinar, 28th June 2021

Le projet shapeNread vise à optimiser la structure tridimensionnelle de polymères synthétiques encodés pour permettre leur séquençage à haut débit en couplant la spectrométrie de masse en tandem à la spectrométrie de mobilité ionique. Ces polymères seront synthétisés de sorte à segmenter les informations binaires qu’ils contiennent. Les segments seront décorés par un marqueur spécifique afin de les distinguer en termes de masse et de conformation. Pour ce faire, les marqueurs seront conçus par modélisation moléculaire pour conférer aux segments des sections efficaces de collision distinctes. Une fois libérés de la chaîne polymérique lors d’une première étape de fragmentation, ces segments pourront alors être séparés par mobilité ionique pour séquençage individuel après une seconde étape de fragmentation. Un tel design permettra la lecture haut débit par MS/MS-IMS-MS/MS de l’information codée dans des macromolécules contenant chacune au moins un décabyte de données. Un développement spécifique du logiciel MS-DECODER assurera une analyse automatisée des données spectrales.