Et hold fra Rensselaer Polytekniske Institut har bevist, at computersoftware
Glycosaminoglycaner - et komplekst repertoiresekvenser, som et værk af Shakespeare - et komplekst sæt bogstaver. Det kræver en ekspert at skrive dem, ligesom det kræver en ekspert at læse dem. Vi trænede maskinen til hurtigt at læse, hvad der svarer til ord på fire bogstaver såsom ababab eller bcbcbc. Det er simple sekvenser, der ikke har nogen betydning. De viste dog, at en maskine kan læres at læse. Hvis vi skalerer op og udvikler denne teknologi, har den potentialet til at sekvensere glykaner eller endda proteiner i realtid uden at tage år.
Robert Linhardt, ledende forsker og professor. i kemi og kemisk biologi ved Rensselaer Polytekniske Institut
Kommercielle sekventeringsenhedernanoporer anvendes til DNA-sekventering. Den består af fire nukleinsyreenheder, kendt som bogstaverne A, C, G og T, bundet sammen i et uendeligt udvalg af konfigurationer. Enheden bruger en ionstrøm gennem et hul i membranen, der kun er et par milliardedele af en meter bred. DNA-tråde placeres på den ene side af hullet og trækkes igennem det med strøm. Hver nukleinsyre blokerer hullet til en vis grad, når det passerer, forstyrrer strømmen og giver et specifikt signal forbundet med den nukleinsyre. De enheder, der nu bruges til feltundersøgelser, er blot en af flere relativt hurtige og automatiserede DNA-sekventeringsmetoder.
Glycosaminoglycaner (GAG) eren strukturelt kompleks klasse af glykaner. Disse er essentielle sukkerarter, der findes i levende organismer. De har flere funktioner i cellevækst og signalering, antikoagulering og sårheling. I dag udvindes glykosaminoglykaner fra slagtede dyr og bruges som medicin og nutraceuticals.
Ligesom DNA kan de opdeles ideres konstituerende disaccharide sukkerenheder. Men mens DNA kun består af fire bogstaver i en lineær streng, har glycaner snesevis af grundlæggende enheder. Nogle af dem har sulfat-, syre- og amidgrupper knyttet. For eksempel kan selv et relativt lille naturligt forekommende heparansulfatmolekyle på seks sukkerenheder have 32.768 mulige sekvenser. Glykan-sekventering forbliver besværlig og er afhængig af omhyggeligt laboratoriearbejde og kompleks analyse ved hjælp af teknikker som væskekromatografi og tandem massespektrometri og kernemagnetisk resonansspektroskopi.
Nanopore- og billeddannelsessoftware kan sekvensere sulfateret glycosaminoglycan i realtid. Kredit: Rensselaer Polytechnic Institute.
Forskere har udviklet en syntetisk version af det almindelige blodfortyndende heparin. Han sekventerer GAG for at forstå naturligt forekommende former og for at udvikle syntetiske varianter.
Holdet af forskere sprang over hvert heparansulfatgennem nanoporerne og bygget en graf, der viser enhedens udgangsspænding versus tid. Hver af de fire varianter passerede gennem enheden mere end 2.000 gange, hvilket øgede den statistiske sandsynlighed for nøjagtig aflæsning under hensyntagen til det elementære design af den eksperimentelle nanopore.
Enheden sekventerede det enkleste heparansulfat i realtid og skabte et mønster, som forskere let kan genkende for hver af de fire prøver på én gang. Det er straks klart, at de er forskellige.
For at give en objektiv analyse, holdetuploadede resultaterne til gratis software til maskinindlæring og billedgenkendelse. De brugte Googles dybe neurale netværk, træningssoftware til at skelne mellem fire forskellige mønstre og identificere hver variant af heparansulfat. Den mest succesrige model gav en analyse med en nøjagtighed på næsten 97%.
GAG sekvensinformationsindholdkan overstige den samme mængde DNA eller RNA betydeligt. Dette betyder, at evnen til at læse dem hurtigt åbner et nyt vindue til forståelse af livets komplekse biokemi. Proof-of-concept-forskning forbinder innovative detekteringsteknikker i nanoskala til moderne maskinlæringsværktøjer.
Faldende hastighed, hvormed glycosaminoglycanerpassere gennem nanoporer, øger nøjagtigheden, og enheden kan trænes i mere komplekse sekvenser. Imidlertid har forskere allerede reduceret den tid, det tager at sekvensere nøgle GAG-molekyler fra et par år til minutter.
Læs mere
Fysikere har skabt en analog til et sort hul og bekræftet Hawkings teori. Hvor det fører hen?
Algoritme har opdaget et nyt mystisk lag inde i Jorden
På grund af solen mister jordens atmosfære al fri ilt
Glycosaminoglycaner, mucopolysaccharider —kulhydratdelen af proteoglycaner, polysaccharider, som omfatter aminosukker-hexosaminer. I kroppen er glycosaminoglycaner kovalent bundet til proteindelen af proteoglycaner og findes ikke i fri form.
NMR-spektroskopi - spektroskopisk metodeforskning i kemiske genstande ved hjælp af fænomenet nuklear magnetisk resonans. NMR-fænomenet blev opdaget i 1946 af de amerikanske fysikere F. Bloch og E. Persel.
Flydende kromatografi og tandem massespektrometri er en udbredt metode til kemisk analyse, der kombinerer den fysiske adskillelse af væskekromatografi med massespektrometri.