Kunstig intelligens til at udforske den biomolekylære verden

EPFL-forskere har udviklet AI-drevne nanosensorer, der lader forskere spore forskellige slags biologiske molekyler uden at forstyrre dem.

Den lille verden af ​​biomolekyler er rig på fascinerende interaktioner mellem et væld af forskellige midler såsom indviklede nanomaskiner (proteiner), formskiftende kar (lipidkomplekser), kæder af vital information (DNA) og energibrændstof (kulhydrater). Alligevel er måden, hvorpå biomolekyler mødes og interagerer for at definere livets symfoni, yderst kompleks.

Forskere ved Bionanophotonic Systems Laboratory på EPFL's School of Engineering har nu udviklet en ny biosensor, der kan bruges til at observere alle større biomolekyleklasser i nanoverdenen uden at forstyrre dem. Deres innovative teknik bruger nanoteknologi, metaoverflader, infrarødt lys og kunstig intelligens. Holdets forskning er netop blevet offentliggjort i Avancerede materialer .

Til hvert molekyle sin egen melodi

I denne symfoni i nanostørrelse, perfekt orkestrering gør fysiologiske vidundere såsom syn og smag mulige, mens små dissonanser kan forstærkes til forfærdelige kakofonier, der fører til patologier som cancer og neurodegeneration.

"At tune ind på denne lille verden og være i stand til at skelne mellem proteiner, lipider, nukleinsyrer og kulhydrater uden at forstyrre deres interaktioner er af fundamental betydning for forståelsen af ​​livsprocesser og sygdomsmekanismer, " siger Hatice Altug, lederen af ​​Bionanophotonic Systems Laboratory.

Lys, og mere specifikt infrarødt lys, er kernen i biosensoren udviklet af Altugs team. Mennesker kan ikke se infrarødt lys, som er ud over det synlige lysspektrum, der spænder fra blå til rød. Imidlertid, vi kan mærke det i form af varme i vores kroppe, som vores molekyler vibrerer under det infrarøde lys excitation.

Molekyler består af atomer bundet til hinanden og - afhængigt af atomernes masse og arrangementet og stivheden af ​​deres bindinger - vibrerer ved bestemte frekvenser. Dette svarer til strengene på et musikinstrument, der vibrerer ved bestemte frekvenser afhængigt af deres længde. Disse resonansfrekvenser er molekylespecifikke, og de forekommer for det meste i det infrarøde frekvensområde af det elektromagnetiske spektrum.

"Hvis du forestiller dig lydfrekvenser i stedet for infrarøde frekvenser, det er som om hvert molekyle har sin egen karakteristiske melodi, " siger Aurélian John-Herpin, en ph.d.-assistent på Altugs laboratorium og den første forfatter til publikationen. "Imidlertid, at tune ind på disse melodier er meget udfordrende, fordi uden forstærkning, de er blot hvisken i et hav af lyde. At gøre tingene værre, deres melodier kan præsentere meget lignende motiver, hvilket gør det svært at skelne dem fra hinanden."

Metasflader og kunstig intelligens

Forskerne løste disse to problemer ved hjælp af metasurfaces og AI. Metasurfaces er menneskeskabte materialer med fremragende lysmanipulationsevner på nanoskalaen, derved muliggøres funktioner ud over, hvad der ellers ses i naturen. Her, deres præcist konstruerede meta-atomer lavet af guld nanorods fungerer som forstærkere af lys-stof-interaktioner ved at tappe ind i de plasmoniske excitationer som følge af de kollektive svingninger af frie elektroner i metaller. "I vores analogi, disse forbedrede interaktioner gør de hviskede molekylemelodier mere hørbare, " siger John-Herpin.

AI er et kraftfuldt værktøj, der kan fodres med flere data, end mennesker kan håndtere på samme tid, og som hurtigt kan udvikle evnen til at genkende komplekse mønstre fra dataene. John-Herpin forklarer, "AI kan forestilles som en komplet begyndermusiker, der lytter til de forskellige forstærkede melodier og udvikler et perfekt øre efter blot et par minutter og kan skelne melodierne fra hinanden, selv når de spilles sammen - som i et orkester med mange instrumenter samtidigt."

Den første biosensor af sin slags

Når forskernes infrarøde metaoverflader udvides med kunstig intelligens, den nye sensor kan bruges til at analysere biologiske assays med flere analytter samtidigt fra de store biomolekyleklasser og løse deres dynamiske interaktioner.

"Vi kiggede især på lipid-vesikel-baserede nanopartikler og overvågede deres brud gennem indsættelse af et toksinpeptid og den efterfølgende frigivelse af vesikelladninger af nukleotider og kulhydrater, samt dannelsen af ​​understøttede lipid-dobbeltlagspletter på metasoverfladen, siger Altug.

Denne banebrydende AI-drevne, metasurface-baseret biosensor vil åbne spændende perspektiver for at studere og optrevle iboende komplekse biologiske processer, såsom intercellulær kommunikation via exosomer og samspillet mellem nukleinsyrer og kulhydrater med proteiner i genregulering og neurodegeneration.

"Vi forestiller os, at vores teknologi vil have anvendelser inden for biologi, bioanalytik og farmakologi - fra grundforskning og sygdomsdiagnostik til lægemiddeludvikling, siger Altug.