질량분석 기반 단백질체학의 진화: DDA에서 DIA까지
질량분석 기반 단백질체학의 기술 발전 흐름. DDA에서 DIA로의 전환, 정량 전략, 최신 장비까지 정리했다.
단백질체학(Proteomics)에서 질량분석(Mass Spectrometry)은 빠질 수 없는 핵심 기술이다. 지난 20년간 질량분석 기술은 눈부시게 발전해왔는데, 그 흐름의 중심에는 데이터 획득 방식의 전환이 있다.
DDA: 전통의 강자
**DDA(Data-Dependent Acquisition)**는 오랫동안 shotgun proteomics의 표준이었다. MS1 스캔에서 가장 강도가 높은 펩타이드 이온을 실시간으로 선별해서 MS/MS(MS2) 분석을 수행하는 방식이다. 직관적이고, 분석 파이프라인이 잘 확립되어 있다는 장점이 있다.
하지만 DDA에는 근본적인 한계가 있다. 강도가 낮은 펩타이드는 선별되지 않아서 놓치게 되고(under-sampling), 반복 실험 간 동정되는 펩타이드 목록이 달라지는 재현성 문제가 있다. 복잡한 시료에서 이 문제는 더 심해진다.
DIA: 패러다임의 전환
**DIA(Data-Independent Acquisition)**는 이 문제를 정면으로 해결한다. m/z 범위를 일정한 윈도우로 나누어서 모든 이온을 빠짐없이 단편화하고 기록한다. 원리적으로 시료에 존재하는 모든 펩타이드의 MS2 데이터를 얻을 수 있어서, 재현성과 커버리지 면에서 DDA를 압도한다.
초기 DIA의 문제는 데이터가 너무 복잡하다는 것이었다. 여러 전구체 이온의 단편이 섞여서 나오기 때문에 해석이 어려웠다. 하지만 DIA-NN, Spectronaut 같은 소프트웨어가 등장하면서 이 문제가 크게 개선됐다. 특히 DIA-NN은 딥러닝 기반 스펙트럼 예측을 활용해서 라이브러리 없이도(library-free) 높은 동정률을 보여준다.
TMT와 label-free의 선택
정량 전략도 중요한 고려사항이다. **Label-free quantification(LFQ)**은 시료 준비가 간단하고 비용이 적지만, 런 간 변동이 크다. TMT(Tandem Mass Tag) 같은 등중체 표지(isobaric labeling)를 쓰면 최대 18개 시료를 하나의 런에서 동시에 정량할 수 있어서 처리량과 정밀도 면에서 유리하다.
최근 트렌드는 DIA + label-free 조합이다. DIA의 높은 재현성 덕분에 label-free의 약점이 상당 부분 보완되고, 시료 준비도 간소화된다. 물론 TMT-DIA 같은 하이브리드 접근도 나오고 있어서, 앞으로가 더 기대된다.
4세대 질량분석기의 등장
하드웨어 측면에서는 Orbitrap Astral과 timsTOF Ultra가 새 시대를 열고 있다. Astral은 기존 Orbitrap의 고분해능에 초고속 MS2 스캔을 결합해서, 단일 런에서 1만 개 이상의 단백질을 동정할 수 있다. timsTOF 시리즈는 이온 이동도(ion mobility) 차원을 추가해서 펩타이드 분리 능력을 한 단계 끌어올렸다.
이런 기술 발전 덕분에 단백질체학은 이제 유전체학에 버금가는 깊이와 처리량을 달성하고 있다. "모든 단백질을 측정한다"는 꿈이 현실에 가까워지고 있는 셈이다.
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