Native mass spectrometry—A valuable tool in structural biology

Abstract

Proteins and the complexes they form with their ligands are the players of cellular action. Their function is directly linked with their structure making the structural analysis of protein-ligand complexes essential. Classical techniques of structural biology include X-ray crystallography, nuclear magnetic resonance spectroscopy and recently distinguished cryo-electron microscopy. However, protein-ligand complexes are often dynamic and heterogeneous and consequently challenging for these techniques. Alternative approaches are therefore needed and gained importance during the last decades. One alternative is native mass spectrometry, which is the analysis of intact protein complexes in the gas phase. To achieve this, sample preparation and instrument conditions have to be optimised. Native mass spectrometry then reveals stoichiometry, protein interactions and topology of protein assemblies. Advanced techniques such as ion mobility and high-resolution mass spectrometry further add to the range of applications and deliver information on shape and microheterogeneity of the complexes. In this tutorial, we explain the basics of native mass spectrometry including sample requirements, instrument modifications and interpretation of native mass spectra. We further discuss the developments of native mass spectrometry and provide example spectra and applications.

Liposomes as Carriers of Membrane‐Associated Proteins and Peptides for Mass Spectrometric Analysis

“…[31] This type of mass spectrometer is commonly applied in native MS and allows the analysis of intact protein complexes and their interactions with ligands including lipids. [4] By analysing proteoliposomes under denaturing and native MS conditions,w ee xplore the applicability of liposomes to serve as carriers of membrane-associated proteins and peptides into the gas phase of amass spectrometer. We hypothesize that, following dissociation of the liposomes in the gas phase,i ntact peptides or proteins are released for MS analysis.U nder denaturing gas-phase conditions,l iposome dissociation is supposedly facilitated, while native MS,o nt he other hand, allows maintaining non-covalent protein and protein-lipid interactions.…”

“…Despite their advantage over detergents,m embrane mimetics contain additional phospholipids,d etergents,s caffold proteins,o rp olymers and therefore still represent ac hallenge for classical structural techniques.C omplementary techniques such as mass spectrometry (MS), and in particular native MS, [4] proved useful alternatives for the analysis of integral membrane proteins. [5][6][7] This was initially achieved by dissociating the detergent micelle and releasing the free protein into the mass spectrometer.…”

Liposomen als Überträger membranassoziierter Proteine und Peptide für die massenspektrometrische Analyse

“…[31] Diese Art von Massenspektrometer wird üblicherweise in der nativen MS eingesetzt und ermçglicht die Analyse intakter Proteinkomplexe und deren Wechselwirkungen mit Liganden, einschließlich Lipiden. [4] Durch die Analyse von Proteoliposomen unter denaturierenden und nativen MS-Bedingungen wird die Verwendbarkeit von Liposomen als Träger membranassoziierter Proteine und Peptide in die Gasphase eines Massenspektrometers gezeigt. Wirn ehmen an, dass nach der Dissoziation der Liposomen in der Gasphase intakte Peptide oder Proteine fürdie MS-Analyse freigesetzt werden.…”

“…2) Wir verwendeten ein “Q‐ToF Ultima”‐Massenspektrometer, welches für den Transfer großer Komplexe in die Gasphase modifiziert wurde, um nicht‐kovalente Wechselwirkungen zu erhalten (Abbildung 1, Schritt v) [31] . Diese Art von Massenspektrometer wird üblicherweise in der nativen MS eingesetzt und ermöglicht die Analyse intakter Proteinkomplexe und deren Wechselwirkungen mit Liganden, einschließlich Lipiden [4] . Durch die Analyse von Proteoliposomen unter denaturierenden und nativen MS‐Bedingungen wird die Verwendbarkeit von Liposomen als Träger membranassoziierter Proteine und Peptide in die Gasphase eines Massenspektrometers gezeigt.…”

“…Trotz ihres Vorteils gegenüber Detergenzien enthalten die meisten Membranmimetika neben Phospholipiden und Detergenzien auch Gerüstproteine oder Polymere und stellen daher Herausforderungen für klassische strukturelle Analysen dar. Techniken wie die Massenspektrometrie (MS) und insbesondere die native MS [4] erwiesen sich als nützliche Alternativen für die Analyse von integralen Membranproteinen [5–7] . Dies wurde zunächst durch Dissoziation einer Detergenzmizelle und Freisetzung eines ungebundenen Proteins in das Massenspektrometer gezeigt [8] .…”