Real-time determination of vapors by means of secondary electrospray ionization (SESI) coupled to mass spectrometry: mechanistic studies and biochemical applications

Abstract

This Doctoral Thesis focuses on the application of Secondary ElectroSpray Ionization (SESI) coupled to High Resolution Mass Spectrometry (HRMS) for the online and noninvasive monitoring of fluctuations in metabolite levels of interest for biochemical applications. Our studies started by getting insights into the mechanism by which volatiles are ionized in their interaction with plumes of electrospray solvents (i.e., SESI). This knowledge could help in the optimization of key parameters in SESI, leading to an enhancement in ionization efficiency. Our observations, using protonated water in the ESI solvent and in the carrier gas, revealed that, in the final stage of SESI, gas-phase ion–molecule reactions lead the mechanism by which electrosprays ionize vapor species. The power of SESI-HRMS technique to measure volatiles was shown for different strains of baker’s yeast during growth to starvation. It was demonstrated that the concentration profiles of 263 volatile metabolites, produced by yeast consuming labeled glucose, can be monitored for at least 48 hours. 111 of these metabolites could be matched by molecular formula in the yeast metabolome database, and 101 additional metabolites were found in the human metabolome database. These results suggest that a large number of these metabolites were not previously reported in the literature nor are their biochemical origin deciphered. Additionally, it was shown how, by replicating the experiment with different strains of yeast, useful information to understand the kinetics and pathways followed by each mutant when processing 13C1-glucose can be obtained. The tricarboxylic acid (TCA) cycle is one of the most important metabolic pathways for cellular respiration in aerobic organisms. It provides and collects intermediates for many other interconnecting pathways and acts as a hub connecting the metabolism of carbohydrates, fatty acids, and amino acids. In this Doctoral Thesis, we evaluated whether at least the most volatile metabolites of the TCA cycle could be detected in vivo and in real time in exhaled breath. The results provided the first evidence that the TCA cycle can conveniently be monitored in breath, opening new opportunities to study this important metabolic pathway, as stated previously, in vivo and in real time.

La Tesis que se presenta se centra en la aplicación de la técnica de ionización secundaria por electrospray (SESI), acoplada a un espectrómetro de masas de alta resolución. El principal objetivo puede definirse como la monitorización de variaciones en las concentraciones de ciertos metabolitos de interés de forma on-line y no invasiva y sus aplicaciones en el campo de la bioquímica. En primer lugar, se llevaron a cabo estudios sobre el mecanismo por el cual los compuestos volátiles se ionizan en SESI al interactuar con el electrospray. Una mejor comprensión de este fenómeno permitiría una mejor optimización de los parámetros claves en SESI y una mejora sustancial en las eficiencias de ionización. Los experimentos realizados con agua pesada tanto como disolvente del electrospray como en el gas de muestra apuntan a que en la etapa final de SESI las reacciones ion-molécula en fase vapor gobiernan el mecanismo mediante el cual se ionizan los compuestos volátiles. Seguidamente, se demostró el potencial de la técnica SESI-HRMS para medir volátiles en diferentes cepas de levadura Saccharomyces cerevisiae durante las fases de crecimiento exponencial y muerte. Se demostró la posibilidad de monitorizar la concentración de hasta 263 metabolitos volátiles, producidos por la levadura alimentada con glucosa marcada isotópicamente, hasta durante 48 horas. La identificación de los metabolitos según su fórmula molecular resultó en 111 metabolitos señalados como candidatos en la “yeast metabolome database”, y otros 101 metabolitos en la “human metabolome database”. Estos resultados demuestran como muchos metabolitos producidos por la levadura, y que pueden ser analizados mediante SESI, son aún desconocidos por la comunidad científica. Adicionalmente, repitiendo el experimento con distintas cepas mutantes de levaduras alimentadas con 13C1-glucosa, se obtuvo información relevante para entender la cinética y rutas metabólicas involucradas en la fermentación alcohólica. El ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) es una de las rutas metabólicas más importantes involucradas en la respiración celular de los organismos aeróbicos. TCA provee y recoge subproductos de muchas otras rutas metabólicas interconectándolas y actuando como centro de actividad del metabolismo de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos. En esta tesis doctoral se ha evaluado la posibilidad de que los compuestos más volátiles del TCA puedan ser detectados en el aliento mediante SESI. Los resultados apuntan a que el TCA podría ser convenientemente monitorizado a través de esta técnica, lo que abre nuevas oportunidades para el estudio de esta importante ruta metabólica de forma no invasiva, en vivo y a tiempo real.