罗伯特·海蒂奇（Robert “Bob” Hettich）是美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究员，领导实验室的生物分析质谱小组，他以其质谱专业知识而闻名，是宏蛋白质组学领域的创始人和全球领导者之一，该领域涉及识别和分析微生物群落产生的蛋白质和肽。他职业生涯的大部分时间都在ORNL研究高性能分析测量，特别是质谱技术，他的研究为揭示微生物的奥秘及其对更大系统（如植物和人类）的影响提供令人惊叹的见解。
Hettich使用质谱法（一种测量从分子生成的离子的质荷比的技术）来探索细胞机制和过程，揭示细菌、真菌和病毒如何相互关联以及与宿主的相互作用。他对复杂环境中生物分子的研究为理解这些微生物在微生物组中的功能和适应性提供了基本见解。这些信息有助于指导许多应用，例如微生物群落（协同工作的微生物团队）如何使植物更加健康，并可用于支持国内的生物经济。
Hettich与ORNL和其他机构的众多研究人员合作，研究微生物如何相互作用、影响土壤养分流动、促进生物修复、助力生物燃料和生物产品的生产、帮助植物宿主适应干旱、养分胁迫、疾病和害虫等外界条件，以及它们如何影响或响应人类健康状况。他还研究了高阶蛋白质结构，探索蛋白质的三维形状和折叠，这些形状和折叠决定了它们如何发挥作用并与其他分子相互作用，以更好地了解生物的整个生命周期。
Hettich的工作得到了美国能源部科学办公室生物与环境研究项目的各种支持，包括ORNL领导的生物能源创新中心（CBI）和植物-微生物界面科学重点领域（PMI SFA）。在他 39 年的职业生涯中，Hettich参与了ORNL几代生物质谱技术的开发和演示。他目前正负责建立新的尖端质谱设备，这些设备可以显著加速ORNL在发现更优秀的植物和微生物种群方面的研究。
问：ORNL的新质谱仪有哪些功能？
我们刚刚在ORNL安装了两台新的高性能质谱仪，这将使我们在更快的扫描速度、更高的分辨率和更高的样品通量方面取得巨大飞跃。
我们现有的质谱仪器扫描频率为8赫兹，即每秒生成8张质谱图。而新型的质谱仪器都以200Hz的频率运行，每秒能产生200张质谱图，比我们现有的设备增加了2500%。此外，该仪器提供480,000的超高质量分辨率，可对蛋白质和代谢物等复杂分子进行极其精确的测量。我们的第二台新型质谱仪器扫描频率高达40Hz，与目前的仪器相比具有更快的扫描速度，同时提供了可用于检测完整蛋白质和其他生物分子的高质量测量能力。
我们还拥有直接连接到这些海量系统的新型计算能力，以处理这些重大升级所带来的数据洪流，提供实时数据收集、分析和存储的功能。随着我们数据集的扩展，它们将继续为ORNL的人工智能和高性能计算能力提供动力，以进一步拓展我们对复杂生物系统的了解。
因为我们是推动和开发宏蛋白质组学（对整个微生物群落产生的蛋白质的大规模研究）而获得国际认可的少数几个团体之一，所以我的工作之一就是推动技术工具集的持续发展。我们致力于不断提升测量能力，以实现最精准的测量，从而开启人类认知中前所未有的新维度。
这些仪器在全球的使用数量非常有限，而且大多数都集中在人类健康研究领域。我们橡树岭国家实验室（ORNL）的科学使命以及我们在植物和微生物生物学方面的专业知识与这些新仪器的结合，使我们在研究机构中独树一帜。这些能力巩固了我们作为宏蛋白质组学顶级研究机构的地位，促进了我们在先进燃料、化学品和材料以及自然生态系统韧性研究方面的创新。
问：这些仪器有哪些优势？
我们使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS），首先将样品进样到液相色谱柱（LC）中，然后根据极性、大小或其他化学性质分离化合物。当它们离开色谱柱时，它们会进入质谱仪，在那里它们被电离、碎裂并根据其质荷比进行检测。然后使用计算工具将这些质荷比与DNA序列中已知的预测分子进行匹配，从而精确识别出样品中所含物质的类别、数量甚至完整DNA序列。
我们正在分析的样品是非常复杂的混合物，因此质谱仪会尝试尽可能快地扫描，以实时记录从色谱柱上获得的所有信息。由于仪器较旧且扫描速度较慢，我们至少错过了从色谱柱流入的一半数据。显然，新型的快速扫描仪器提供了更广泛的检测深度以及更好的测量质量，使我们能够更深入、更全面地了解这些复杂生物系统的分子机制。在测量时间上也有显著的提升：目前在现有的质谱设备上，每个样品的测量需要大约3到5小时；而在新型系统上，这一时间可以缩短到大约30到60分钟。这意味着结果的得出更快，且通量大大提高。
凭借新型主仪器的480,000分辨率，我们能够区分在质谱图中彼此非常靠近的峰。例如，稳定同位素标记是一种常见的实验方法，用于追踪碳或氮在生物系统中的流动。凭借这种高分辨率，我们应该能够更灵敏、更准确地表征一系列稳定的同位素标记，这将使我们能够更好地跟踪氮限制与碳流动的函数关系。这些知识可以帮助我们了解碳流动如何影响植物中氮的吸收和生长。
另一个例子是能够识别我们以前在植物周围土壤环境或植物叶子上可能从未见过的微生物，因为它们的丰度非常低。但新仪器显著提高了测量灵敏度（至少提高了5倍左右），从而为我们提供了更丰富的观测视角。我们现在应该能够看到以前未被检测到的微生物及其功能，而这些微生物及其功能之所以未被发现，仅仅是因为我们以前没有能力检测到它们。
问：到目前为止，我们利用这项新技术取得了哪些成就？
我们已经在测试提高的速度、灵敏度和蛋白质谱的覆盖率。对复杂微生物混合物的分析显示，在60分钟的测试中发现了超过25万个独特的肽段，这一测量深度几乎是现有设备和更长分析时间所达到的10倍。此外，我们还评估了土壤样本的测量深度性能以及测量微生物蛋白质的能力。所得蛋白质数量非常可观，再次显著优于现有方法。
问：这些仪器可以实现哪些新的科学研究？
ORNL在使用全基因组关联研究（GWAS）方面拥有丰富的经验和成功案例，作为CBI项目的一部分，将植物的遗传变异与其性状联系起来。一种互补的方法是将实际的遗传功能（即蛋白质）与有利的性状联系起来——这表明蛋白质组范围的关联研究（PWAS）可能会很有价值。然而，由于测量大样本集的技术限制，始终无法实现执行PWAS的能力。
通过PWAS，您可以了解蛋白质和代谢物的实际作用，而不是它们在基因组中所揭示的基因组潜力。简而言之，基因组提供了食谱，而蛋白质组/代谢组给大家制作了蛋糕。通过监测数千个样品中的蛋白质，您可以更准确地将实际功能与基因联系起来。
通过结合GWAS和PWAS，我们应该能够更全面地识别出驱动植物对环境变化所产生的分子响应机制——如抗旱和抗病性、更高的生物量和作物产量等因素。这将揭示与代谢途径相关的基因-蛋白质关联，帮助我们提高新型生物基燃料、化学品和材料的生产效率，并确定分解和回收塑料的最佳微生物途径。
对于 PMI SFA 项目，新仪器可以帮助我们更好地了解生活在植物根部的微生物群落，包括这些微生物如何与植物交流、小分子的交换、控制微生物组生长的因素以及是否存在碳或氮的限制。
新的质谱（MS）技术还使我们能够分析完整蛋白质。我们不再将蛋白质分解为肽段来研究其基本组成，而是可以直接对完整结构进行自上而下的分析。我们可以监测蛋白质相互作用，或者蛋白质在用甲基和磷酸盐等化学标签修饰时的性能，以及蛋白质修饰如何动态调控其功能。
问：这些新的能力还可以支持哪些其他科学任务？
除了专注于环境微生物学之外，我们还非常积极地进行人类微生物组方面的研究。这些系统类似于植物微生物组——它们都包含一个复杂的真核宿主，其中存在一个已建立的微生物组，其在健康和不健康的条件下情况可能会有所不同。
我们可以利用我们对植物和微生物相互作用的了解，来开发一个通用架构来分析人体的复杂环境。我们目前正在为一个项目分析粪便样本，该项目旨在开展一个研究人类微生物组与帕金森和类风湿性关节炎患者之间的联系。即使在初步测试中，我们也能看到使用新的质谱仪测量结果的深度大约提高了10倍。我们新的高通量能力应该能够提供一个更清晰的视角，来了解什么样的人类微生物组是健康的，而什么样的则与失调或疾病相关。
问：我们希望通过这项新技术最终实现什么目标？
借助我们新的质谱能力，我们获得了几个重要优势：分辨率，或峰的尖锐程度，这将有助于精确识别分子; 扫描速度，这增加了我们在给定时间内可以运行的样本数量; 以及更高的质量精度和灵敏度。这些新的性能指标不仅很可能会更好地解决当前的科学问题，而且还可能会拓展我们在新领域的视野。
结合橡树岭国家实验室（ORNL）的其他能力，如中子科学、高性能计算和人工智能、冷冻电子显微镜、X射线晶体学和自动化多模态表型分析，我们将有能力打开通往新研究维度的大门，使曾经无法触及的研究领域现在变得唾手可得。最终，这些新仪器全面提高了我们从整体上探究和理解复杂生命系统的能力，而不再是仅仅把他们看成单独运作的独立功能模块。
UT-Battelle为美国能源部（DOE）科学办公室管理橡树岭国家实验室（ORNL），该办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者。科学办公室致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。
