Lipids have accompanied the emergence of life on Earth. Their tendency to form spherical assemblies in water afforded the separation of organisms from their environment while still allowing controlled exchange of substances between the inside and outside. Lipids enable cellular compartmentalization, modulate membrane proteins, and are involved in intra- and intercellular signaling. The multitude of biological functions is reflected in a tremendous structural diversity, which involves the frequent occurrence of isomers with very specific biological roles. Although highly relevant from a biological perspective, many lipid isomers cannot be distinguished by state-of-the-art mass spectrometry-based analytical techniques.
This work explores the potential of coupling mass spectrometry with infrared spectroscopy to analyze lipid isomers and study lipid fragmentation mechanisms. Infrared spectroscopy adds a structural dimension to the mass spectrometric analysis and previously yielded promising results for other biomolecules. We recorded the first high-resolution infrared spectra of ionized lipids and glycolipids using helium nanodroplets as a cryogenic spectroscopic matrix. Isomeric glycolipids were found to be unambiguously distinguishable based on their diagnostic spectroscopic fingerprints. The high resolution and sensitivity of the technique enabled the relative quantification of low-abundant glycolipid isomers in biological samples by spectral deconvolution. A similar approach was used to analyze double bond isomers in lipids extracted from cancer cells, which revealed significant differences between cancer types. The position and geometry of C C bonds in sphingolipids and fatty acids were rendered visible by amines, which interact with the C C bond and induce diagnostic vibrations. Furthermore, infrared spectroscopy was employed in combination with computational chemistry to gain fundamental understanding of lipid fragmentation in tandem mass spectrometry. A key fragmentation mechanism used for the structural analysis of glycerolipids was thus unveiled and found to occur with high regioselectivity. In addition, unknown fragmentation pathways of vitamin E derivatives were identified by spectroscopy-based assignment of fragment structures. Overall, the coupling of mass spectrometry and infrared spectroscopy has proven to be a powerful approach to study lipid fragmentation mechanisms and to identify biologically relevant lipid isomers from minute sample amounts. The technique is expected to drive important advances in lipid analysis in the near future.
Seit seiner Entstehung ist das Leben auf der Erde untrennbar mit Lipiden verbunden. Lipidmembranen ermöglichen die räumliche Abtrennung von Organellen innerhalb von Zellen, von Zellen innerhalb von Organismen und von Organismen in ihrer unbelebten Umgebung. Lipide beeinflussen zudem die Funktion von Membranproteinen und sind als Botenstoffe am intra- und interzellulären Informationsaustausch beteiligt. Die Vielzahl ihrer biologischen Funktionen spiegelt sich in der strukturellen Vielfalt der Lipide und dem häufigen Auftreten von Isomeren wider. Viele dieser Isomere, die oft sehr spezifische biologische Funktionen erfüllen, können mit modernen massenspektrometrischen Analysemethoden nicht unterschieden werden.
Durch die Kopplung von Massenspektrometrie mit Infrarotspektroskopie werden neben der Masse von Molekülen auch strukturelle Informationen erhalten. Die Technik wurde bereits erfolgreich für andere Biomoleküle angewendet und wird in dieser Arbeit erstmals für die Analyse von isomeren Lipiden und die Untersuchung von Lipidfragmentierung eingesetzt. Für die Aufnahme von hochaufgelösten Infrarotspektren ionisierter Lipide und Glykolipide wurden Heliumtröpfchen als kryogene spektroskopische Matrix verwendet. Isomere Glykolipide konnten mit dieser Technik eindeutig voneinander unterschieden und in biologischen Proben durch Dekonvolution der Infrarotspektren quantifiziert werden. Eine ähnliche Methode wurde zur relativen Quantifizierung von Doppelbindungsisomeren in Lipidextrakten aus Krebszellen angewendet. Die Analyse zeigte eindeutige Unterschiede in der Isomerenverteilung zwischen verschiedenen Krebstypen. Die Position und Geometrie der C C Bindungen wurden mit Hilfe von Aminen bestimmt, die als Doppelbindungssensoren spezifische Wechselwirkungen mit der C C Bindung eingehen. Darüber hinaus wurde mittels Infrarotspektroskopie und quantenchemischen Methoden der regioselektive Mechanismus einer der wichtigsten Fragmentierungsreaktionen in der Analytik von Glycerolipiden aufgeklärt. Außerdem wurden Fragmentstrukturen von Vitamin E Derivaten spektroskopisch identifiziert und plausible Fragmentierungswege berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass mittels kryogener Infrarotspektroskopie ein grundlegendes Verständnis von Fragmentierungsmechanismen in der Lipidanalytik gewonnen werden kann. Zusätzlich können mit der Technik biologisch relevante Lipidisomere mit minimalem Probenverbrauch unterschieden werden. Die Kopplung von Massenspektrometrie mit Infrarotspektroskopie hat daher großes Potential, die nächsten Entwicklungen in der Lipidanalytik wesentlich voranzutreiben.
