Вы когда-нибудь задумывались, что именно делают в лабораториях с допинг-пробой спортсмена? Каким образом выясняется, что велосипедист или пловец употребил запрещенный препарат? Поиск в крови или моче соединений, которых там быть не должно — это как поиск иголки в стоге сена, только вы не знаете, что ищете именно иголку, а не, допустим, нитку или пуговицу, и вообще заранее не понимаете, есть ли в огромном стоге хоть что-то (а хозяин «стога» сотрудничать с вами не намерен).
Чтобы определить химический состав какого-либо вещества, вам пригодится масс-спектрометрия — техника, при которой компоненты этого вещества ионизируются (то есть нейтральные молекулы и атомы превращаются в заряженные ионы), а затем по их траектории в электромагнитном поле определяется масс-спектр, концентрации компонентов относительно всей смеси.
Именно с помощью масс-спектрометра можно определить наличие в крови или моче анаболиков, диуретиков или даже, например, тестостерона, который и так встречается в человеческом организме — и доказать, что обнаруженный гормон имеет искусственное происхождение.
Но даже если вы получили масс-спектр — это лишь половина дела, надо еще понять, что именно вы нашли. В открытых базах химических соединений вроде PubChem более 120 миллионов соединений, поэтому выбор огромен. Есть базы данных, которые сопоставят ваши масс-спектры со своими библиотеками, но в этих библиотеках сейчас в лучшем случае полмиллиона соединений. И даже если вы как-то восстановили по масс-спектру формулу (к примеру, C8H9NO2), в базе найдется более 2500 (!) соединений с такой молекулярной формулой. Выяснить то, какой препарат употребил человек — парацетамол или, например, 1-этил-2-нитробензол, будет очень сложно.
Доцент Центра по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных Сколтеха (CDISE) Юрий Костюкевич и его коллеги предложили способ на порядок уменьшить пространство поиска, то есть количество вариантов, из которых вы выбираете, в такой непростой задаче. Для этого нужно больше информации о структуре молекулы.
Помимо стандартных процедур при масс-спектрометрии, ученые предложили проводить два дополнительных анализа, основанных на реакциях обмена легкого и тяжелого изотопов водорода (водорода и дейтерия) и легкого и тяжелого изотопов кислорода (16O и 18O). Результаты этих анализов как раз и дают информацию о структуре молекулы и работают как дополнительный фильтр при отборе подходящих соединений.
Свой метод ученые испытали для детектирования в моче человека реального психоактивного вещества — метилендиоксипировалерона (MDPV, внесен в перечень наркотических средств, психотропных веществ и их прекурсоров, подлежащих контролю в РФ). MDPV отлично подходит для такой проверки: его формула C16H21NO3 дает 19337 соединений, лишь для семи из которых есть готовые масс-спектры.
Два относительно простых дополнительных анализа, которые предложили авторы научной статьи, сокращают пространство поиска до 1515 молекул — в 13 раз. Юрий Костюкевич отмечает, что среди этих оставшихся полутора тысяч молекул лишь малая часть имеет биологическое происхождение, так что это существенно упростит дело.
Идея ученых сработает даже для гипотетических новых, ранее не известных видов допинга.
«Если вы приняли такой допинг, наш подход засечет, что у вас в биологических пробах есть что-то, чего у других спортсменов нет, и примерно скажет, на что это соединение похоже. А разбираться, допинг это или вы вчера какую-то экзотическую пищу употребили – это уже дело спортивных врачей», — говорит ученый.
