Kunstmatige intelligentie om de biomoleculaire wereld te verkennen

EPFL-wetenschappers hebben AI-aangedreven nanosensoren ontwikkeld waarmee onderzoekers verschillende soorten biologische moleculen kunnen volgen zonder ze te storen.

De kleine wereld van biomoleculen is rijk aan fascinerende interacties tussen een overvloed aan verschillende middelen, zoals ingewikkelde nanomachines (eiwitten), vormveranderende vaten (lipidecomplexen), ketens van vitale informatie (DNA) en energiebrandstof (koolhydraten). Toch is de manier waarop biomoleculen elkaar ontmoeten en op elkaar inwerken om de symfonie van het leven te definiëren buitengewoon complex.

Wetenschappers van het Bionanophotonic Systems Laboratory in de School of Engineering van EPFL hebben nu een nieuwe biosensor ontwikkeld die kan worden gebruikt om alle belangrijke biomolecuulklassen van de nanowereld te observeren zonder ze te verstoren. Hun innovatieve techniek maakt gebruik van nanotechnologie, metasurfaces, infrarood licht en kunstmatige intelligentie. Het onderzoek van het team is zojuist gepubliceerd in Geavanceerde materialen​

Voor elk molecuul zijn eigen melodie

In deze symfonie op nanoformaat maakt perfecte orkestratie fysiologische wonderen mogelijk, zoals zicht en smaak, terwijl lichte dissonanten kunnen toenemen tot gruwelijke kakofonieën die leiden tot pathologieën zoals kanker en neurodegeneratie.

“Afstemmen op deze kleine wereld en in staat zijn om onderscheid te maken tussen eiwitten, lipiden, nucleïnezuren en koolhydraten zonder hun interacties te verstoren, is van fundamenteel belang voor het begrijpen van levensprocessen en ziektemechanismen”, zegt Hatice Altug, het hoofd van het Bionanophotonic Systems Laboratory.

Licht, en meer specifiek infrarood licht, vormt de kern van de biosensor die is ontwikkeld door het team van Altug. Mensen kunnen geen infrarood licht zien, dat buiten het zichtbare lichtspectrum valt dat varieert van blauw tot rood. We kunnen het echter voelen in de vorm van warmte in ons lichaam, terwijl onze moleculen trillen onder de excitatie van infrarood licht.

Moleculen bestaan ​​uit atomen die aan elkaar zijn gebonden en – afhankelijk van de massa van de atomen en de rangschikking en stijfheid van hun bindingen – trillen op specifieke frequenties. Dit is vergelijkbaar met de snaren op een muziekinstrument die op specifieke frequenties trillen, afhankelijk van hun lengte. Deze resonantiefrequenties zijn molecuulspecifiek en komen meestal voor in het infraroodfrequentiebereik van het elektromagnetische spectrum.

“Als je je audiofrequenties voorstelt in plaats van infraroodfrequenties, is het alsof elk molecuul zijn eigen karakteristieke melodie heeft”, zegt Aurélian John-Herpin, een doctoraal assistent in het laboratorium van Altug en de eerste auteur van de publicatie. “Het is echter een hele uitdaging om op deze melodieën af te stemmen, want zonder versterking zijn het slechts gefluister in een zee van geluiden. Tot overmaat van ramp kunnen hun melodieën zeer vergelijkbare motieven vertonen, waardoor het moeilijk is ze uit elkaar te houden.”

Metasurfaces en kunstmatige intelligentie

De wetenschappers hebben deze twee problemen opgelost met behulp van metasurfaces en AI. Metasurfaces zijn door de mens gemaakte materialen met uitstekende lichtmanipulatiemogelijkheden op nanoschaal, waardoor functies mogelijk zijn die verder gaan dan wat anders in de natuur wordt gezien. Hier gedragen hun nauwkeurig ontworpen meta-atomen gemaakt van gouden nanostaafjes zich als versterkers van licht-materie-interacties door gebruik te maken van de plasmonische excitaties die het resultaat zijn van de collectieve oscillaties van vrije elektronen in metalen. “In onze analogie maken deze verbeterde interacties de gefluisterde molecuulmelodieën beter hoorbaar”, zegt John-Herpin.

AI is een krachtig hulpmiddel dat kan worden gevoed met meer gegevens dan mensen in dezelfde tijd aankunnen en dat snel het vermogen kan ontwikkelen om complexe patronen uit de gegevens te herkennen. John-Herpin legt uit: “AI kan worden voorgesteld als een complete beginnende muzikant die naar de verschillende versterkte melodieën luistert en al na een paar minuten een perfect oor ontwikkelt en de melodieën uit elkaar kan houden, zelfs als ze samen worden gespeeld, zoals in een orkest. met veel instrumenten tegelijk. ”

De eerste biosensor in zijn soort

Wanneer de infraroodmetasoppervlakken van de wetenschappers worden uitgebreid met AI, kan de nieuwe sensor worden gebruikt om biologische assays te analyseren met meerdere analyten tegelijk uit de belangrijkste biomolecuulklassen en om hun dynamische interacties op te lossen.

“We keken in het bijzonder naar op lipidenblaasjes gebaseerde nanodeeltjes en volgden hun breuk door het inbrengen van een toxinepeptide en de daaropvolgende afgifte van vesikelladingen van nucleotiden en koolhydraten, evenals de vorming van ondersteunde lipide dubbellaagse plekken op het metasoppervlak”, zegt Altug.

Deze baanbrekende AI-aangedreven, metasurface-gebaseerde biosensor zal opwindende perspectieven openen voor het bestuderen en ontrafelen van inherent complexe biologische processen, zoals intercellulaire communicatie via exosomen en de interactie van nucleïnezuren en koolhydraten met eiwitten in genregulatie en neurodegeneratie.

“We denken dat onze technologie toepassingen zal hebben op het gebied van biologie, bioanalyse en farmacologie – van fundamenteel onderzoek en ziektediagnostiek tot de ontwikkeling van geneesmiddelen”, zegt Altug.