Rensselaer Polytechnic Instituten tiimi on osoittanut, että tietokoneohjelmisto
Glykosaminoglykaanit - monimutkainen ohjelmistosekvenssit, kuten Shakespearen teos - monimutkainen kirjainjoukko. Niiden kirjoittamiseen tarvitaan asiantuntija, samoin kuin niiden lukemiseen tarvitaan asiantuntija. Koulutimme koneen lukemaan nopeasti vastineet nelikirjaimille sanoille, kuten ababab tai bcbcbc. Nämä ovat yksinkertaisia sekvenssejä, joilla ei ole merkitystä. He kuitenkin osoittivat, että kone voidaan opettaa lukemaan. Jos laajennamme ja kehitämme tätä tekniikkaa, sillä on potentiaalia sekvensoida glykaaneja tai jopa proteiineja reaaliajassa ilman vuosia.
Robert Linhardt, johtava tutkija ja professori. kemiaa ja kemiallista biologiaa Rensselaer Polytechnic Institutessa
Kaupalliset sekvensointilaitteetnanohuokosia käytetään DNA-sekvensointiin. Se koostuu neljästä nukleiinihappoyksiköstä, jotka tunnetaan kirjaimina A, C, G ja T, jotka on yhdistetty toisiinsa äärettömästi erilaisissa kokoonpanoissa. Laite käyttää ionivirtaa kalvossa olevan reiän läpi vain muutaman miljardin metrin leveydellä. DNA-säikeet sijoitetaan reiän toiselle puolelle ja vedetään sen läpi virralla. Kukin nukleiinihappo estää reiän jossain määrin kulkiessaan, häiritsemällä virtaa ja antamalla spesifisen signaalin, joka liittyy kyseiseen nukleiinihappoon. Nyt kenttätutkimuksessa käytettävät laitteet ovat vain yksi monista suhteellisen nopeista ja automatisoiduista DNA-sekvensointimenetelmistä.
Glykosaminoglykaanit (GAG) ovatrakenteellisesti monimutkainen glykaanien luokka. Nämä ovat välttämättömiä sokereita, joita löytyy elävistä organismeista. Niillä on useita tehtäviä solujen kasvussa ja signaloinnissa, antikoagulaatiossa ja haavan paranemisessa. Nykyään glykosaminoglykaaneja uutetaan teurastetuista eläimistä ja käytetään lääkkeinä ja ravintoaineina.
Kuten DNA, ne voidaan jakaaniiden disakkaridisokeriyksiköt. Mutta vaikka DNA koostuu vain neljästä kirjaimesta lineaarisessa merkkijonossa, glykaaneissa on kymmeniä perusyksiköitä. Joihinkin niistä on kiinnittynyt sulfaatti-, happo- ja amidiryhmiä. Esimerkiksi jopa suhteellisen pienellä luonnossa esiintyvällä kuuden sokeriyksikön heparaanisulfaattimolekyylillä voi olla 32 768 mahdollista sekvenssiä. Glykaanin sekvensointi on edelleen hankalaa, koska se perustuu huolelliseen laboratoriotyöhön ja monimutkaiseen analyysiin, jossa käytetään sellaisia tekniikoita kuin nestekromatografia ja tandemmassaspektrometria ja ydinmagneettinen resonanssispektroskopia.
Nanohuokoset ja kuvankäsittelyohjelmistot voivat sekvensoida sulfatoitua glykosaminoglykaania reaaliajassa. Luotto: Rensselaer-ammattikorkeakoulu.
Tutkijat ovat kehittäneet synteettisen version tavallisesta verta ohentavasta hepariinista. Hän sekvensoi GAG: n ymmärtääkseen luonnossa esiintyviä muotoja ja kehittämään synteettisiä variantteja.
Tutkijaryhmä ohitti jokaisen heparaanisulfaatinnanohuokosten läpi ja rakensi kaavion, joka kuvaa laitteen lähtöjännitettä ajan suhteen. Kukin neljästä variantista kulki laitteen läpi yli 2000 kertaa, mikä lisäsi tarkan lukemisen tilastollista todennäköisyyttä, ottaen huomioon kokeellisen nanohuokosen perusrakenteen.
Laite sekvensoi yksinkertaisimman heparaanisulfaatin reaaliajassa ja loi mallin, jonka tutkijat voivat helposti tunnistaa kerralla kullekin neljästä näytteestä. On heti selvää, että ne ovat erilaisia.
Objektiivisen analyysin tarjoamiseksi joukkuelatasi tulokset ilmaiseen koneoppimiseen ja kuvan tunnistamiseen. He käyttivät Googlen syvää hermoverkkoa ohjelmistojen kouluttamiseen erottamaan neljä erilaista mallia ja tunnistamaan heparaanisulfaatin kukin variantti. Menestynein malli antoi analyysin lähes 97 prosentin tarkkuudella.
GAG-sekvenssitietojen sisältövoi ylittää merkittävästi saman määrän DNA: ta tai RNA: ta. Tämä tarkoittaa, että kyky lukea ne nopeasti avaa uuden ikkunan elämän monimutkaisen biokemian ymmärtämiseen. Käsitteitä osoittava tutkimus yhdistää innovatiiviset nanotunnistustekniikat nykyaikaisiin koneoppimisvälineisiin.
Pienentämällä glykosaminoglykaanien määräänanohuokosten läpi, lisää tarkkuutta ja laitetta voidaan kouluttaa monimutkaisemmille sekvensseille. Tutkijat ovat kuitenkin jo lyhentäneet keskeisten GAG-molekyylien sekvensointiin tarvittavaa aikaa muutamasta vuodesta minuutteihin.
Lue lisää
Fyysikot ovat luoneet analogin mustasta aukosta ja vahvistaneet Hawkingin teorian. Minne se johtaa?
Algoritmi on löytänyt uuden salaperäisen kerroksen Maan sisältä
Auringon takia maapallon ilmakehä menettää kaiken vapaan hapen
Glykosaminoglykaanit, mukopolysakkaridit -proteoglykaanien hiilihydraattiosa, polysakkaridit, joihin kuuluvat aminosokerit-heksosamiinit. Kehossa glykosaminoglykaanit sitoutuvat kovalenttisesti proteoglykaanien proteiiniosaan, eikä niitä löydy vapaassa muodossa.
NMR-spektroskopia - spektroskooppinen menetelmäkemiallisten esineiden tutkimus ydinmagneettisen resonanssin avulla. NMR-ilmiön löysivät amerikkalaiset fyysikot F. Bloch ja E. Persel vuonna 1946.
Nestekromatografia ja tandem-massaspektrometria on laajalti käytetty kemiallisen analyysin menetelmä, joka yhdistää nestekromatografian fysikaalisen erottamisen massaspektrometriaan.