科学家开发出人工智能驱动的纳米传感器,可追踪各种生物分子

   通信小金        

EPFL的科学家们已经开发出了人工智能驱动的纳米传感器,让研究人员可以在不干扰生物分子的情况下追踪各种生物分子。


科学家开发出人工智能驱动的纳米传感器,可追踪各种生物分子


微小的生物分子世界在众多不同的媒介之间有着丰富的相互作用,如错综复杂的纳米机械(蛋白质)、变形的血管(脂质复合物)、重要信息链(DNA)和能量燃料(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乐的方式是极其复杂的。


EPFL工程学院生物光子系统实验室的科学家们现在已经开发出一种新的生物传感器,可以用来观察纳米世界所有主要的生物分子类,而不干扰它们。他们的创新技术使用了纳米技术、元表面、红外光和人工智能。该团队的研究成果刚刚发表在《先进材料》上。


每个分子都有自己的旋律


在这个纳米大小的交响乐中,完美的管弦乐使视觉和味觉等生理奇迹成为可能,而轻微的不和谐会放大成可怕的杂音,导致癌症和神经退化等疾病。


生物光子系统实验室的负责人Hatice Altug说:“调谐到这个微小的世界,并能够区分蛋白质、脂类、核酸和碳水化合物,而不干扰它们之间的相互作用,这对于理解生命过程和疾病机制至关重要。”


光,更确切地说,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。然而,当我们的分子在红外光的激发下振动时,我们可以在体内以热的形式感受到它。


分子由相互结合的原子组成,它们以特定的频率振动——这取决于原子的质量、键的排列和硬度。这类似于乐器上的弦,它们根据长度以特定频率振动。这些共振频率是分子特异性的,它们大多发生在电磁波谱的红外频率范围内。


“然而,调谐这些旋律是非常具有挑战性的,因为没有放大,它们只是声音海洋中的低语。”更糟糕的是,它们的旋律呈现出非常相似的主题,很难将它们区分开来。”


超表面和人工智能


科学家们利用超表面和人工智能解决了这两个问题。超表面是一种人造材料,在纳米尺度上具有出色的光操纵能力,从而实现了在自然界中看不到的功能。在这里,他们用金纳米棒精确设计的超原子,通过利用金属中自由电子集体振荡产生的等离子激子激发,就像光-物质相互作用的放大器。“在我们的类比中,这些增强的相互作用使耳语分子旋律更容易被听到,”约翰-赫尔宾说。


人工智能是一种强大的工具,它可以在同样的时间内处理比人类更多的数据,并可以迅速开发出从数据中识别复杂模式的能力。约翰-赫尔平解释说:“可以想象,人工智能是一个完整的初学者,他听不同的放大旋律,几分钟后耳朵就会变得完美,甚至可以分辨出不同的旋律,就像在一个同时演奏多种乐器的管弦乐队中一样。”


这是同类中第一个生物传感器


当科学家的红外超表面被人工智能增强后,新的传感器可以用于分析生物分析,同时分析主要生物分子类的多种分析物,并解决它们的动态相互作用。


Altug说:“我们特别研究了基于脂囊泡的纳米颗粒,并通过毒素肽的插入和随后囊泡中核苷酸和碳水化合物的释放,以及超表面支持脂质双分子层斑块的形成来监测它们的断裂。”


这一开创性的人工智能驱动、超表面生物传感器将为研究和阐明内在复杂的生物过程打开令人兴奋的前景,如通过外体的细胞间通信以及基因调控和神经退行性变中核酸和碳水化合物与蛋白质的相互作用。


Altug说:“我们想象我们的技术将会应用于生物学、生物分析和药理学领域——从基础研究和疾病诊断到药物开发。

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