人工智能探索生物分子世界

  EPFL科学家开发了AI驱动的纳米传感器,该技术使研究人员能够在不干扰生物分子的情况下跟踪各种生物分子。

  微小的生物分子世界充满了众多不同媒介之间的迷人相互作用,例如复杂的纳米机器(蛋白质),变型容器(脂质复合物),生命信息链(DNA)和能源燃料(碳水化合物)。然而,生物分子相遇并相互作用以定义生命交响曲的方式极其复杂。

人工智能探索生物分子世界

  EPFL工程学院的Bionanophotonic系统实验室的科学家现已开发出一种新型生物传感器,该传感器可用于观察纳米世界的所有主要生物分子类别,而不会干扰它们。他们的创新技术使用了纳米技术,超表面,红外光和人工智能。该小组的研究刚刚发表在《高级材料》上。

  每个分子都有自己的旋律

  在这种纳米大小的交响乐中,完美的编排使生理上的奇观(例如视觉和味觉)成为可能,而轻微的不和谐会放大成可怕的刺耳声,从而导致诸如癌症和神经退行性病变之类的病理。

  Bionanophotonic系统实验室负责人Hatice Altug说:“进入这个狭小的世界,能够在不干扰蛋白质,脂质,核酸和碳水化合物的相互作用的情况下进行区分,对于理解生命过程和疾病机制至关重要。”

  光,更具体地说是红外光,是Altug团队开发的生物传感器的核心。人类看不到红外光,红外光超出了从蓝色到红色的可见光谱范围。但是,当我们的分子在红外光激发下振动时,我们会以热的形式感觉到它。

  分子由彼此键合的原子组成,并且取决于原子的质量及其键的排列和刚度,它们以特定的频率振动。这类似于乐器上的弦,根据其长度以特定的频率振动。这些共振频率是特定于分子的,并且它们大多出现在电磁频谱的红外频率范围内。

  “如果您想象音频而不是红外频率,就好像每个分子都有自己独特的旋律,” Altug实验室的博士助理,该出版物的第一作者AurélianJohn-Herpin说。“但是,调入这些旋律非常具有挑战性,因为如果不进行放大,它们只是在声音的海洋中窃窃私语。更糟糕的是,它们的旋律可以表现出非常相似的主题,很难区分它们。”

  超表面和人工智能

  科学家使用超表面和AI解决了这两个问题。超颖表面是人造材料,具有出色的纳米级光处理能力,从而使功能超出了自然界所能看到的范围。在这里,它们由金纳米棒制成的经过精心设计的亚原子,通过利用金属中自由电子的集体振动所产生的等离子体激元激发,像光物质相互作用的放大器一样起作用。John-Herpin说:“以我们的类比,这些增强的相互作用使耳语的分子旋律更易听见。”

  人工智能是一种功能强大的工具,可以在相同的时间内提供比人类能够处理的更多的数据,并且可以快速发展出从数据中识别复杂模式的能力。约翰·赫尔平(John-Herpin)解释说:“人工智能可以想象成是一个完整的初学者,他会聆听各种放大的旋律,并在几分钟后发展出完美的耳朵,即使将它们一起演奏(例如在管弦乐队中),也能分辨出这些旋律同时具有许多乐器。”

  同类中的第一个生物传感器

  当科学家在红外超颖表面上增加AI时,这种新型传感器可用于同时分析主要生物分子类别中具有多种分析物的生物学分析,并解决它们之间的动态相互作用。

  “我们特别研究了基于脂质囊泡的纳米颗粒,并通过插入毒素肽,随后释放核苷酸和碳水化合物的囊泡货物以及在表面上形成支持的脂质双层膜的形成来监测其破损情况。” Altug。

  这款具有开创性的AI驱动的基于超表面的生物传感器将为研究和揭示固有的复杂生物过程(例如通过外泌体进行细胞间通讯以及核酸和碳水化合物与蛋白质在基因调控和神经变性中的相互作用)开辟令人激动的前景。

  “我们认为我们的技术将在生物学,生物分析和药理学领域中应用-从基础研究和疾病诊断到药物开发,” Altug说。

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