洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)跟蹤生物分子的AI納米傳感器

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出了一種AI驅(qū)動的納米傳感器，該技術(shù)使研究人員能夠在不干擾生物分子的情況下通過人工智能跟蹤各種生物分子。該研究成果發(fā)表在《高級材料》上。

微小的生物分子世界充滿了眾多不同媒介及其迷人的相互作用，如復(fù)雜納米機器的蛋白質(zhì)、變形容器的脂質(zhì)復(fù)合物、DNA的生命信息鏈、碳水化合物的能源燃料等。然而，生物分子相遇并相互作用以定義生命交響曲的方式極其復(fù)雜。

在這種納米級的交響曲中，完美的編排使生理上的奇觀，例如視覺和味覺成為可能，而輕微的不和諧會放大成可怕的刺耳，甚至導(dǎo)致諸如癌癥和神經(jīng)退行性病變的病態(tài)。

生物納米光子系統(tǒng)實驗室負責(zé)人、海蒂絲·阿圖格(Hatice Altug)表示：“進入這個微小的世界，能夠在不干擾蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸和碳水化合物的相互作用的情況下進行區(qū)分，對于理解生命過程和疾病機制至關(guān)重要?！?/p>

光，更具體地說是紅外光，是該研究團隊開發(fā)的生物傳感器的核心。人類看不到紅外光，紅外光超出了從藍色到紅色的可見光譜范圍。但是，當(dāng)分子在紅外光激發(fā)下振動時，會以熱的形式感覺到它。

分子由彼此鍵合的原子組成，并且取決于原子的質(zhì)量及其鍵的排列和剛度，它們以特定的頻率振動。這就如樂器上的弦，根據(jù)其長度以特定的頻率振動。這些共振頻率是特定于分子的，并且它們大多出現(xiàn)在電磁頻譜的紅外頻率范圍內(nèi)。

超表面和人工智能

科學(xué)家使用超表面和人工智能。超表面是人造材料，具有出色的納米級光處理能力，從而使功能超出了自然界所能看到的范圍。在這里，它們由金納米棒制成的經(jīng)過精心設(shè)計的亞原子，通過利用金屬中自由電子的集體振蕩所產(chǎn)生的等離子體激元激發(fā)，像光物質(zhì)相互作用的放大器一樣起作用。

通過AI這一功能強大的工具，可以在相同的時間內(nèi)提供比人類能夠處理更多的數(shù)據(jù)，并且可以快速發(fā)展從數(shù)據(jù)中識別復(fù)雜模式的能力。研究人員解釋說：“人工智能可以想象成一個完整的初學(xué)者，他會聆聽各種放大的旋律，并在短短幾分鐘后發(fā)展出完美的耳朵，即使如在管弦樂隊中一起演奏，也能分辨出旋律機許多樂器?！?/p>

同類中的第一個生物傳感器

當(dāng)用AI增強科學(xué)家的紅外超穎表面時，這種新型傳感器可用于同時分析主要生物分子類別中具有多種分析物的生物學(xué)分析，并解決它們的動態(tài)相互作用。

阿圖格說，“我們特別研究了基于脂質(zhì)囊泡的納米顆粒，并通過插入毒素肽，隨后釋放核苷酸和碳水化合物的囊泡貨物，以及在表面上形成支持的脂質(zhì)雙層膜的形成，來監(jiān)測其破損情況。”

這款具有開創(chuàng)性的AI驅(qū)動的基于超表面的生物傳感器，將為研究和闡明固有的復(fù)雜生物過程，例如通過外泌體的細胞間通訊以及核酸和碳水化合物與蛋白質(zhì)在基因調(diào)控和神經(jīng)變性中的相互作用，開辟令人激動的前景。

阿圖格表示，“我們認(rèn)為我們的技術(shù)將在生物學(xué)、生物分析和藥理學(xué)領(lǐng)域中，從基礎(chǔ)研究和疾病診斷到藥物開發(fā)得到應(yīng)用?！?/p>