Characterization of potential bioactive molecules by ion spectroscopy and ion mobility approaches coupled to mass spectrometry

A espectrometria de massas (MS) é uma técnica analítica largamente utilizada em diversas áreas de estudo, como a química, bioquímica, ambiental, farmacêutica, entre outras. Embora esta técnica seja sensível e universal, a detecção por MS é baseada apenas na razão massa-carga (m/z) de íons, muitas vezes não provendo informações diretas sobre a configuração das espécies em fase gasosa. Portanto, a MS é limitada quando usada para a diferenciação de isômeros e para a determinação de sítios de protonação e coordenação. Para solucionar tal limitação, podem ser utilizadas técnicas de espectroscopia de íons, tanto vibracional quanto eletrônica, e mobilidade iônica, acopladas a MS. Nesta tese, as técnicas de espectroscopia de íons e mobilidade iônica são aplicadas a diferentes moléculas bioativas e com potencial bioativo, a fim de investigar suas características estruturais e diferenciação de isômeros em reação de photoswitching. Para tanto, um aparato instrumental desenvolvido em nosso grupo para a realização da espectroscopia de íons foi validado comparando-se os espectros da biotina e triptofano protonados em fase gasosa com os espectros encontrados na literatura. Nosso equipamento não só reproduziu os resultados da literatura, como apresentou sensibilidade superior em algumas regiões do espectro. Esses espectros também foram utilizados para a realização de um benchmarking de métodos para a determinação de espectros teóricos, a fim de verificar-se o nível de teoria mais adequado para os sistemas abordados neste projeto. Um conjunto de biomoléculas tiamina, biotina, biocitina e triptofano foi avaliado quanto sua conformação em meio gasoso, sítio de protonação, coordenação e interações intramoleculares. Também foram realizados estudos teóricos mais aprofundados, como a determinação da natureza de interações de hidrogênio relevantes para os sistemas bioativos abordados, aplicando esquemas de cálculos de orbitais naturais de ligação (NBO), teoria quântica de átomos em moléculas (QTAIM) e interações não-covalentes (NCI). Os resultados permitiram caracterizar uma série relevante de espécies de interesse biológico, ilustrando o poder dessas técnicas avançadas em espectrometria de massas e permitindo o estudo de outros sistemas futuros utilizando as técnicas e metodologias aqui introduzidas.Graduate Program in Chemistry. Institute of Chemistry, University of São Paulo, São Paulo. Mass spectrometry (MS) has become an important analytical technique, widely employed in several areas of study, such as chemistry, biochemistry, and environmental and pharmaceutical sciences, among others. Although this technique is sensitive and comprehensive, detection by MS is based only on the mass-to-charge ratio (m/z) of ions, and does not provide direct information on the conformation of ions in the gas phase. Therefore, the efficiency of MS is limited for the differentiation of isomers and determination of protonation and coordination sites. Ion mobility and ion spectroscopy, either vibrational or electronic, approaches can be used to circumvent this limitation. In this thesis, action spectroscopy and ion mobility techniques are applied to different bioactive molecules, or to molecules with bioactive potential, in order to investigate the structural characteristics presented by them and also perform isomer differentiation in a photoswitching reaction. An instrumental apparatus for ion spectroscopy was developed in our group and was validated by comparing the protonated biotin and tryptophan spectra in the gas phase with the spectra available in the literature. Our equipment not only reproduced the results of the literature, but also showed superior sensitivity in some regions of the spectrum. These spectra were also used to carry out a benchmarking of theoretical spectra, in order to evaluate the most adequate level of theory for our systems. A set of biomolecules thiamine, biotin, biocytin and tryptophan were evaluated concerning to their conformation in gas phase, protonation and coordination site and intramolecular interactions. Also, natural bond orbitals (NBO), quantum theory of atoms in molecules (QTAIM) and noncovalent interactions (NCI) calculations were carried out to deeply investigate the nature of the hydrogen bonds of some of the studied systems. The results allowed us to characterize a set of relevant species involved in biological processes, exemplifying the capacity of these advanced approaches in mass spectrometry and giving basis to the future studies in the group using the techniques introduced here