Maskinlæring muliggør opdagelse af DNA-stabiliserede sølvnanoclusters

DNA kan mere end at overføre genetisk kode fra en generation til den næste. I næsten 20 år har forskere kendt til molekylets evne til at stabilisere nanometerstore klynger af sølvatomer. Nogle af disse strukturer lyser synligt i rødt og grønt, hvilket gør dem nyttige i en række forskellige kemiske og biosensing-applikationer.

Stacy Copp, UCI-assistentprofessor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab, ønskede at se, om disse små fluorescerende markørers muligheder kunne strækkes endnu længere – ind i det nær-infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum – for at give biovidenskabsforskere magten til at se gennem livet celler og endda centimeter af biologisk væv, der åbner døre til forbedrede metoder til sygdomsdetektion og behandling.

"Der er et uudnyttet potentiale for at udvide fluorescens med DNA-stabiliserede sølv nanoclusters ind i den nær-infrarøde region," siger hun. "Grunden til, at det er så interessant, er, fordi vores biologiske væv og væsker er meget mere gennemsigtige for nær-infrarødt lys end for synligt lys."

Copp siger, at videnskabsmænd og ingeniører har ledt efter nye måder at scanne kropsvæv på for at undgå de muterende bivirkninger af røntgenstråler eller få patienter til at indtage radionuklider for at opdage tumorer. "Der er mange grunde til, at det ville være spændende at bruge ikke-invasivt, ikke-farligt nær-infrarødt lys, som dybest set er varme," siger hun. "Men en af ​​de største udfordringer er, at vi ikke rigtig har gode, ikke-toksiske fluoroforer - molekyler eller nanopartikler, der udsender dette nær-infrarøde lys."

Folk har været opmærksomme på sølvets antimikrobielle kræfter siden oldtiden. Grundstoffet dræber bakterier, men er godartet for de fleste pattedyrceller; det bruges endda til at bekæmpe lugt i nogle stoffer, som mennesker bærer. Copp siger, at nylige undersøgelser har vist, at DNA-stabiliserede sølvnanoclusters har lav cytotoksicitet, og DNA er i sagens natur biokompatibelt - hvilket gør disse forbindelser potentielt sikre at bruge i kliniske omgivelser.

Som med mange ting, der er DNA-relateret, er der en næsten uforståelig mængde af sekvenspermutationer, hvoraf kun en lille delmængde besidder de fluorescerende egenskaber, forskere søger. Mens han var på UC Santa Barbara, var Copp en del af et team, der designede et instrument, der hurtigt kan scanne hundredvis af sølv nanoclusters ad gangen for at se, om de har nær-infrarød emission. Med dette værktøj har forskerne været i stand til at finde et stort antal tidligere skjulte kandidatsekvenser.

I sit laboratorium i UCI's Susan og Henry Samueli Interdisciplinary Science and Engineering Building, indledte Copp et projekt med Peter Mastracco, hendes første ph.d. studerende, for at drage fordel af nye data, der forbinder DNA-sekvenser med farverne på nanoclusterne, som Copp siger, hun sammenligner med et "nanocluster-genom." Hun bad Mastracco om at udvikle en maskinlæringsmetode, der kunne hjælpe dem med at analysere bjerge af eksperimentelle data for at komme med nye DNA-sekvenser – dem der kan skabes i laboratoriet – som åbner adgang til det nær-infrarøde område.

Tidligt i projektet fandt Mastracco et forskningspapir, der viser røntgenkrystalstrukturen af ​​en DNA-stabiliseret sølvnanocluster. "Det gav os bogstaveligt talt et billede af, hvor alle sølvatomerne er, og hvordan DNA'et er foldet rundt om nanoclusteren," siger Copp. "Og han opdagede noget, jeg ikke havde lagt mærke til før, nemlig at DNA'et foldede sig rundt om nanoclusteret på en bestemt måde."

Forskerne antog, at hvis de indkodede information om denne foldende særegenhed i deres maskinlæringsmodeller, ville de muligvis være i stand til at forudsige nanoclusternes fluorescensfarve.

En del af Mastraccos ph.d. uddannelse i Copps gruppe skulle blive mentor. I sommeren 2020 – et tidligt højdepunkt i COVID-19-pandemien – blev han matchet med Josh Evans, en studerende på Chaffey College, et community college med campusser i Californiens Inland Empire.

Ifølge Copp udtænkte Evans en kreativ måde at fortolke resultaterne af Mastraccos modeller mere klart. "Nogle af disse algoritmer kan fungere som en sort boks," siger Copp. "Du leverer et datasæt til maskinlæringsalgoritmen, og den lærer tendenserne i disse data, og det hjælper dig med at lave forudsigelser. Men det kan virkelig være svært at åbne låget for at finde ud af, hvad der foregår i kassen."

Evans hjalp med at løse dette problem ved at bruge et "funktionsudvælgelsesværktøj", der gjorde det muligt for teamet at bestemme, hvilken del af DNA-sekvensen, der var korreleret til de forskellige fluorescensfarver i nanoclusterne.

Copp siger, at gennembruddet blev et væsentligt bidrag til et forskningspapir – med Mastracco som hovedforfatter – der blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Arbejdet i Copp-forskningsgruppen om fluorescerende nanoklynger fortsætter i høj grad. De udgav for nylig en anden artikel om emnet i Journal of the American Chemical Society , denne ledet af ph.d. studerende Anna Gonzalez Rosell, som vejledte UCI bachelor medforfatter Nery Arevalos.

"Arbejdet repræsenterer et vigtigt fremskridt i udviklingen af ​​virkelig biokompatible nanoklynger til nær-infrarød billeddannelse," siger Copp. "Flere af mine studerende arbejdede på disse papirer, og undergrad mentorskab spillede en afgørende rolle i projekterne. Det er et arrangement, der fungerer utroligt godt i forhold til at levere forskningsresultater og hjælpe unge forskere med at nå deres mål."

Flere oplysninger: Peter Mastracco et al., Kemi-informeret maskinlæring muliggør opdagelse af DNA-stabiliserede sølv nanoclusters med nær-infrarød fluorescens, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.2c05390

Anna Gonzàlez-Rosell et al., Chloride Ligands on DNA-Stabilized Silver Nanoclusters, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c01366

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society , ACS Nano

Leveret af University of California, Irvine