OpenTIMS、TimsPy和TimsR在訪問timsTOF原始數(shù)據(jù)的應(yīng)用
近年來，離子淌度（IM）質(zhì)譜（MS）為分析化學(xué)，尤其是在蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)中開發(fā)新的研究方法做出重大貢獻(xiàn)。離子淌度為分離提供一種新的維度，從而提高了總的峰容量。例如，相同質(zhì)荷比不同磷酸化修飾位點(diǎn)的異構(gòu)體（isobaric phosphorylation site isomers）通常在液相色譜（LC）維度被共洗脫，無法通過LC保留時間或質(zhì)荷比來進(jìn)行區(qū)分。然而，由于它們在氣相中的碰撞截面不同，因此可以被離子淌度分開。此外，離子淌度設(shè)備提供了無損的氣相分餾平均值，從而降低了質(zhì)譜儀中同時測量的離子種類的數(shù)量。增加的峰容量和離子淌度的新型采集方式實(shí)現(xiàn)了更好的蛋白質(zhì)組覆蓋。
布魯克tims TOF Pro就是這樣一款能夠在蛋白質(zhì)組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)研究中提供高分析物覆蓋率的質(zhì)譜儀。新儀器和實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展也在生物信息學(xué)領(lǐng)域引發(fā)極大熱情，對現(xiàn)有解決方案的升級包含了更多維度。商業(yè)軟件，如PEAKS和Spectronaut已經(jīng)開始支持timsTOF數(shù)據(jù)的分析，這預(yù)示著該平臺將在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中越來越多地被使用。
目前來自tims TOF儀器的原始數(shù)據(jù)只能使用官方提供的閉源庫訪問，開發(fā)開源替代方案十分必要。因?yàn)槊赓M(fèi)簡單地訪問原始tims TOF數(shù)據(jù)可以促進(jìn)新型生物信息學(xué)工具的開發(fā)，這些工具可以優(yōu)化儀器所產(chǎn)生的高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。
來自德國美因茲大學(xué)的Mateusz K. Łącki等人與Bruker合作開發(fā)了一系列用于Tims數(shù)據(jù)格式（TDF）接入并且能夠提供開放、簡化訪問的軟件，并在OpenTIMS, TimsPy, and TimsR: Open and Easy Access to timsTOF Raw Data一文中對方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，同時給出了使用示例和相應(yīng)的討論。
文章作者從PRIDE項(xiàng)目PXD017703下載了一個公開可用數(shù)據(jù)的子集用以展示所提供的軟件的潛在應(yīng)用并與Bruker數(shù)據(jù)訪問庫進(jìn)行了比較。
圖1中作者展示了所有MS1母離子的總強(qiáng)度。強(qiáng)度被聚合到依據(jù)質(zhì)荷比和逆IM空間定義的矩形塊中。上層云主要由單電荷母離子組成，在大多數(shù)DDA和數(shù)據(jù)非依賴采集(DIA)方法中，這些前體離子通常不作為碎裂目標(biāo)。作者在每個圖中疊加的對角線（任意選擇）將離子分為單電荷和多電荷種群。
布魯克tims TOF Pro就是這樣一款能夠在蛋白質(zhì)組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)研究中提供高分析物覆蓋率的質(zhì)譜儀。新儀器和實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展也在生物信息學(xué)領(lǐng)域引發(fā)極大熱情，對現(xiàn)有解決方案的升級包含了更多維度。商業(yè)軟件，如PEAKS和Spectronaut已經(jīng)開始支持timsTOF數(shù)據(jù)的分析，這預(yù)示著該平臺將在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中越來越多地被使用。
目前來自tims TOF儀器的原始數(shù)據(jù)只能使用官方提供的閉源庫訪問，開發(fā)開源替代方案十分必要。因?yàn)槊赓M(fèi)簡單地訪問原始tims TOF數(shù)據(jù)可以促進(jìn)新型生物信息學(xué)工具的開發(fā)，這些工具可以優(yōu)化儀器所產(chǎn)生的高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。
來自德國美因茲大學(xué)的Mateusz K. Łącki等人與Bruker合作開發(fā)了一系列用于Tims數(shù)據(jù)格式（TDF）接入并且能夠提供開放、簡化訪問的軟件，并在OpenTIMS, TimsPy, and TimsR: Open and Easy Access to timsTOF Raw Data一文中對方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，同時給出了使用示例和相應(yīng)的討論。
文章作者從PRIDE項(xiàng)目PXD017703下載了一個公開可用數(shù)據(jù)的子集用以展示所提供的軟件的潛在應(yīng)用并與Bruker數(shù)據(jù)訪問庫進(jìn)行了比較。
圖1中作者展示了所有MS1母離子的總強(qiáng)度。強(qiáng)度被聚合到依據(jù)質(zhì)荷比和逆IM空間定義的矩形塊中。上層云主要由單電荷母離子組成，在大多數(shù)DDA和數(shù)據(jù)非依賴采集(DIA)方法中，這些前體離子通常不作為碎裂目標(biāo)。作者在每個圖中疊加的對角線（任意選擇）將離子分為單電荷和多電荷種群。
圖1
使用先前定義的行，作者分別積分了來自LC-IMS-MS分析的單電荷和多電荷離子的強(qiáng)度。圖2對圖1中定義的兩個區(qū)域的強(qiáng)度進(jìn)行了積分。
圖2
由圖，觀察到的分析物的總量減少了，與帶多電荷的離子相比，帶單電荷的離子百分比增加。作者還進(jìn)行了整合強(qiáng)度，以便根據(jù)LC條件監(jiān)測電離過程，如圖3所示。
圖3
分析顯示，增加LC流速（將通量從每天60個增加到100到200個樣品）導(dǎo)致單電荷離子和多電荷離子的百分比更高，這可能表明使用每天200個樣品的方法電離不足。該信息可用于優(yōu)化電離條件，例如毛細(xì)管電壓。它還強(qiáng)調(diào)了TimsPy作為數(shù)據(jù)探索工具的重要性。
此外，多電荷離子TIC的積分可用于通過預(yù)先測量確定最佳進(jìn)樣量。對于這個用例，使用腳本的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：
1.對于每個樣品，運(yùn)行快速預(yù)測量。
2.估計多電荷云的強(qiáng)度。
3.修正主要MS分析的柱上加載量，以盡量減少不同分析物濃度的影響或避免柱過載。
因此，作者使用預(yù)測量來更好地控制不同樣品中分析物的量，從而使分析更具重現(xiàn)性。
所有代碼都是用Python編寫的，因此人們可以輕松設(shè)想其使用管道或?qū)⑵浼傻礁鼜?fù)雜的樣本管理系統(tǒng)中。
TimsPy和TimsR確實(shí)簡化了從Python和R訪問timsTOF數(shù)據(jù)的過程，而不會給用戶帶來任何額外的不便。為了分析在C++中使用OpenTIMS相對于現(xiàn)有Bruker綁定的速度優(yōu)勢，作者設(shè)置了一個簡單的基準(zhǔn)測試，包括對給定數(shù)據(jù)集中所有幀的迭代。在實(shí)驗(yàn)室獲得的大約139個數(shù)據(jù)集上重復(fù)了它。圖4比較了這些結(jié)果。
圖4
clang編譯的OpenTIMS將迭代所需的時間減少了約43%。此外，在Python中，作者將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為更高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（numpy.arrays），而不是簡單的Python列表。與原生Python相比，NumPy庫提供了顯著的速度改進(jìn)。因此，從用戶的角度來看，代碼更快，并且可以與他最有可能愿意應(yīng)用的工具一起使用，而不會影響運(yùn)行時。
未來的工作將包括與布魯克合作進(jìn)一步開放校準(zhǔn)功能。這將完成輸入格式的過程，并將OpenTIMS、TimsPy和TimsR的使用完全擴(kuò)展到每個主要操作系統(tǒng)。
總之，所提供的軟件包系列提供了對布魯克TDF數(shù)據(jù)的開放、快速和通用的訪問，使研究和可視化此類原始數(shù)據(jù)變得容易。
軟件獲取鏈接
www.github.com/michalsta/opentims
www.github.com/MatteoLacki/timspy
www.github.com/MatteoLacki/timsr
這些網(wǎng)站還包含對項(xiàng)目的介紹，并通過程序的基本用法提供指導(dǎo)。API文檔隨標(biāo)準(zhǔn)Python和R幫助功能一起提供。此外，Python和C++函數(shù)參考也可從https://michalsta.github.io/opentims獲得。
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