Μια ομάδα από το Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer έχει αποδείξει ότι το λογισμικό υπολογιστών
Γλυκοζαμινογλυκάνες - ένα πολύπλοκο ρεπερτόριοσεκάνς, σαν έργο του Σαίξπηρ - ένα σύνθετο σύνολο γραμμάτων. Χρειάζεται ένας ειδικός για να τα γράψει, όπως χρειάζεται ένας ειδικός για να τα διαβάσει. Εκπαιδεύσαμε το μηχάνημα να διαβάζει γρήγορα τις ισοδύναμες λέξεις τεσσάρων γραμμάτων όπως το ababab ή το bcbcbc. Αυτές είναι απλές σειρές που δεν έχουν νόημα. Ωστόσο, έδειξαν ότι μια μηχανή μπορεί να διδαχθεί να διαβάζει. Εάν κλιμακώσουμε και αναπτύξουμε αυτήν την τεχνολογία, έχει τη δυνατότητα να αλληλουχήσει γλυκάνες ή ακόμα και πρωτεΐνες σε πραγματικό χρόνο χωρίς να χρειαστούν χρόνια.
Robert Linhardt, επικεφαλής ερευνητής και καθηγητής. στη χημεία και τη χημική βιολογία στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer
Εμπορικές συσκευές αλληλούχησηςΤα νανοπόροι χρησιμοποιούνται για την αλληλούχιση του DNA Αποτελείται από τέσσερις μονάδες νουκλεϊκών οξέων, γνωστές ως τα γράμματα A, C, G και T, που συνδέονται μεταξύ τους σε μια άπειρη ποικιλία διαμορφώσεων. Η συσκευή χρησιμοποιεί ένα ιοντικό ρεύμα μέσω μιας τρύπας στη μεμβράνη πλάτους μόλις μερικά δισεκατομμυρίων του μέτρου. Τα νήματα DNA τοποθετούνται στη μία πλευρά της τρύπας και τραβιούνται μέσω του ρεύματος. Κάθε νουκλεϊκό οξύ μπλοκάρει την οπή σε κάποιο βαθμό καθώς περνά, διακόπτοντας το ρεύμα και δίνοντας ένα συγκεκριμένο σήμα που σχετίζεται με αυτό το νουκλεϊκό οξύ. Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται τώρα για έρευνα πεδίου είναι μόνο μία από τις αρκετά γρήγορες και αυτοματοποιημένες μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας DNA.
Οι γλυκοζαμινογλυκάνες (GAG) είναιμια δομικά πολύπλοκη κατηγορία γλυκανών. Αυτά είναι απαραίτητα σάκχαρα που βρίσκονται σε ζωντανούς οργανισμούς. Έχουν πολλαπλές λειτουργίες στην ανάπτυξη και σηματοδότηση των κυττάρων, στην αντιπηκτική δράση και στην επούλωση πληγών. Σήμερα, οι γλυκοζαμινογλυκάνες εξάγονται από σφαγμένα ζώα και χρησιμοποιούνται ως φάρμακα και θρεπτικά συστατικά.
Όπως το DNA, μπορούν να χωριστούν σετις συστατικές τους μονάδες σακχάρου δισακχαρίτη. Αλλά ενώ το DNA αποτελείται από μόνο τέσσερα γράμματα σε μια γραμμική συμβολοσειρά, οι γλυκάνες έχουν δεκάδες βασικές μονάδες. Μερικά από αυτά έχουν θειικές, όξινες και αμιδικές ομάδες συνδεδεμένες. Για παράδειγμα, ακόμη και ένα σχετικά μικρό φυσικώς απαντώμενο μόριο θειικής ηπαράνης έξι μονάδων σακχάρου μπορεί να έχει 32.768 πιθανές αλληλουχίες. Ο προσδιορισμός αλληλουχίας γλυκάνης παραμένει δυσκίνητος, βασιζόμενος σε επίπονη εργαστηριακή εργασία και πολύπλοκη ανάλυση με χρήση τεχνικών όπως η υγρή χρωματογραφία και η διαδοχική φασματομετρία μάζας και η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.
Το λογισμικό Nanopore και απεικόνισης μπορεί να ακολουθήσει θειική γλυκοζαμινογλυκάνη σε πραγματικό χρόνο. Πίστωση: Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer.
Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια συνθετική εκδοχή της κοινής ηπαρίνης που αραιώνει το αίμα. Ακολουθεί την αλληλουχία του GAG για να κατανοήσει τις φυσικές μορφές και να αναπτύξει συνθετικές παραλλαγές.
Η ομάδα των επιστημόνων παρέλειψε κάθε θειικό ηπαράνομέσω των νανοπόρων και δημιούργησε ένα γράφημα που δείχνει την τάση εξόδου της συσκευής έναντι του χρόνου. Κάθε μία από τις τέσσερις παραλλαγές πέρασε από τη συσκευή περισσότερες από 2.000 φορές, γεγονός που αύξησε τη στατιστική πιθανότητα ακριβούς ανάγνωσης, λαμβάνοντας υπόψη τον στοιχειώδη σχεδιασμό του πειραματικού νανοπόρου.
Η συσκευή αλληλούχησε το απλούστερο θειικό ηπαράνη σε πραγματικό χρόνο και δημιούργησε ένα μοτίβο που οι επιστήμονες μπορούν εύκολα να αναγνωρίσουν για καθένα από τα τέσσερα δείγματα ταυτόχρονα. Είναι αμέσως σαφές ότι είναι διαφορετικά.
Για να παρέχει μια αντικειμενική ανάλυση, η ομάδαανέβασε τα αποτελέσματα σε δωρεάν λογισμικό μηχανικής μάθησης και αναγνώρισης εικόνας. Χρησιμοποίησαν το βαθύ νευρικό δίκτυο της Google για να εκπαιδεύσουν λογισμικό για να διακρίνουν τέσσερα διαφορετικά μοτίβα και να προσδιορίσουν κάθε παραλλαγή θειικής ηπαράνης. Το πιο επιτυχημένο μοντέλο έδωσε μια ανάλυση με ακρίβεια σχεδόν 97%.
Περιεχόμενο πληροφοριών ακολουθίας GAGμπορεί να υπερβεί σημαντικά την ίδια ποσότητα DNA ή RNA. Αυτό σημαίνει ότι η ικανότητα ανάγνωσής τους ανοίγει γρήγορα ένα νέο παράθυρο για την κατανόηση της περίπλοκης βιοχημείας της ζωής. Η έρευνα Proof-of-concept συνδέει καινοτόμες τεχνικές ανίχνευσης νανοκλίμακας με προηγμένα εργαλεία μηχανικής μάθησης.
Μείωση του ρυθμού με τον οποίο οι γλυκοζαμινογλυκάνεςνα περάσει από τα νανοπόρους, θα αυξήσει την ακρίβεια και η συσκευή μπορεί να εκπαιδευτεί σε πιο περίπλοκες ακολουθίες Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν ήδη μειώσει το χρόνο που απαιτείται για την αλληλουχία βασικών μορίων GAG από μερικά χρόνια σε λεπτά.
Διαβάστε περισσότερα
Οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει ένα ανάλογο μιας μαύρης τρύπας και επιβεβαίωσαν τη θεωρία του Hawking. Πού οδηγεί;
Ο αλγόριθμος ανακάλυψε ένα νέο μυστηριώδες στρώμα μέσα στη Γη
Λόγω του Ήλιου, η ατμόσφαιρα της Γης θα χάσει όλο το ελεύθερο οξυγόνο
Γλυκοζαμινογλυκάνες, βλεννοπολυσακχαρίτες —το υδατανθρακικό μέρος των πρωτεογλυκανών, οι πολυσακχαρίτες, που περιλαμβάνουν αμινο-σάκχαρα-εξοζαμίνες. Στο σώμα, οι γλυκοζαμινογλυκάνες συνδέονται ομοιοπολικά με το πρωτεϊνικό τμήμα των πρωτεογλυκανών και δεν βρίσκονται σε ελεύθερη μορφή.
Φασματοσκοπία NMR - φασματοσκοπική μέθοδοςέρευνα χημικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Το φαινόμενο NMR ανακαλύφθηκε το 1946 από τους Αμερικανούς φυσικούς F. Bloch και E. Persel.
Η υγρή χρωματογραφία και η διαδοχική φασματομετρία μάζας είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος χημικής ανάλυσης που συνδυάζει τον φυσικό διαχωρισμό της υγρής χρωματογραφίας με τη φασματομετρία μάζας.