Analyse chirale par spectrométrie de masse pour la métabolomique

Chiral mass spectrometry analysis for metabolomics

• Auteur / Autrice : Chenqin Cao
• Direction : Christophe Junot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 26/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Médicaments et Technologies pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Spectrométrie de masse

Chiralité

Métabolomique

Hrms

Mass sepctrometry

Chirality

Metabolomic

Hrms

Résumé

La métabolomique vise à caractériser l'ensemble des 'petites molécules' (< 1500 Da) d'un échantillon biologique et repose principalement sur deux techniques analytiques: la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et la résonance magnétique nucléaire (RMN). Grâce une grande sensibilité de détection et une large gamme dynamique, la 1ère technique est la plus largement utilisée puisqu'elle permet de couvrir une part importante du métabolome. L'un des enjeux majeurs de ces analyses métabolomiques reste l'identification formelle de l'ensemble des signaux détectés dérivant des centaines de métabolites présents dans un échantillon biologique. La caractérisation de chacune des structures moléculaires constitutives du métabolome d'un organisme va de la validation d'une simple composition élémentaire (pour le moins bon niveau d'identification) à la confirmation non ambigüe d'une structure en 2D (meilleur niveau d'identification actuel par spectrométrie de masse).[1] La chiralité reste un véritable challenge en métabolomique par spectrométrie de masse puisque cette technique ne permet pas sa mesure directe. Pourtant, de nombreux métabolites (acides aminés, sucres, certains acides organiques, etc) comportent à minima un centre asymétrique. Dans ce contexte, le projet de thèse vise à mettre en place des méthodes innovantes pour l'analyse chirale rapide et sensible par spectrométrie de masse à haute résolution pour des applications en métabolomique. Les méthodes développées reposeront sur la formation de complexes ioniques diastéréoisoméres stables en phase gazeuse et sur l'analyse de leurs profils de fragmentation, ces derniers étant caractéristiques de chaque diastéréoisomère.[2] Dans un 1er temps, les méthodes mises en place permettront de déterminer la stéréochimie de composés chiraux produits par synthèse chimique, notamment pour des métabolites marqués au deutérium (standards internes en MS) produits par échange H/D stable et mono-étape afin de valider le caractère stéréorétentif des processus mis en jeu sur un set de molécules prises individuellement. Puis, l'applicabilité des méthodes MS/MS chirales développées sera évaluée au travers de l'analyse de mélanges d'énantiomères de plus en plus complexe, marqués ou non, allant jusqu'aux extraits biologiques. Le développement des méthodes MS/MS se fera parallèlement à la mise en place de méthodes chirales par mobilité ioniques couplée à la spectrométrie de masse en tandem (IMS-MS) à l'IPMC (Sorbonne Université).

Metabolomics aims at characterizing all the 'small molecules' (< 1500 Da) of a biological sample and is mainly based on two analytical techniques: high-resolution mass spectrometry (HRMS) and nuclear magnetic resonance (NMR). Thanks to a high detection sensitivity and a wide dynamic concentration range, the first technique is the most widely used since it covers a large part of the metabolome. One of the major challenges of these metabolomic analyses remains the formal identification of all the signals detected from the hundreds of metabolites present in a biological sample. The characterization of each of the molecular structures constituting the metabolome of an organism ranges from the validation of a simple elemental composition (for the lowest level of identification) to the unambiguous confirmation of a 2D structure (the best current level of identification by mass spectrometry). Chirality remains a real challenge in metabolomics by mass spectrometry since this technique does not allow its direct measurement. However, many metabolites (amino acids, sugars, some organic acids, etc.) contain at least one asymmetric center. In this context, the thesis project aims to develop innovative methods for rapid and sensitive chiral analysis by high resolution mass spectrometry for metabolomic applications. The methods developed will be based on the formation of stable diastereomeric ionic complexes in the gas phase and on the analysis of their fragmentation profiles, the latter being characteristic of each diastereomer. In a first step, the methods implemented will allow the determination of the stereochemistry of chiral compounds produced by chemical synthesis, in particular for deuterium-labelled metabolites (internal standards in MS) produced by stable and single-step H/D exchange in order to validate the stereoretentive character of the processes involved on a set of molecules taken individually. Then, the applicability of the developed chiral MS/MS methods will be evaluated through the analysis of more and more complex enantiomeric mixtures, labelled or not, up to biological extracts. The development of MS/MS methods will be done in parallel with the implementation of chiral methods by ion mobility coupled to tandem mass spectrometry (IMS-MS) at IPMC (Sorbonne University).