Une équipe de l'Institut Polytechnique Rensselaer a prouvé que les logiciels informatiques
Glycosaminoglycanes - un répertoire complexeséquences, comme une œuvre de Shakespeare - un ensemble complexe de lettres. Il faut un expert pour les rédiger, tout comme il faut un expert pour les lire. Nous avons entraîné la machine à lire rapidement l'équivalent de mots de quatre lettres tels que ababab ou bbcbcc. Ce sont des séquences simples qui n’ont aucun sens. Cependant, ils ont montré qu’il est possible d’apprendre à lire à une machine. Si nous intensifions et développons cette technologie, elle pourrait potentiellement séquencer des glycanes ou même des protéines en temps réel sans prendre des années.
Robert Linhardt, chercheur principal et professeur. en chimie et biologie chimique à l'Institut polytechnique Rensselaer
Appareils de séquençage commerciauxles nanopores sont utilisés pour le séquençage de l'ADN. Il est composé de quatre unités d'acide nucléique, appelées lettres A, C, G et T, liées entre elles dans une infinie variété de configurations. L'appareil utilise un courant ionique à travers un trou dans la membrane de seulement quelques milliardièmes de mètre de large. Les brins d'ADN sont placés sur un côté du trou et tirés à travers celui-ci avec du courant. Chaque acide nucléique bloque le trou dans une certaine mesure lors de son passage, interrompant le courant et donnant un signal spécifique associé à cet acide nucléique. Les dispositifs actuellement utilisés dans la recherche sur le terrain ne sont que l'une des nombreuses méthodes de séquençage d'ADN relativement rapides et automatisées.
Les glycosaminoglycanes (GAG) sontune classe structurellement complexe de glycanes. Ce sont des sucres essentiels présents dans les organismes vivants. Ils ont de multiples fonctions dans la croissance et la signalisation cellulaires, l’anticoagulation et la cicatrisation des plaies. Aujourd’hui, les glycosaminoglycanes sont extraits d’animaux abattus et utilisés comme médicaments et nutraceutiques.
Comme l'ADN, ils peuvent être divisés enleurs unités de sucre disaccharide constitutives. Mais alors que l’ADN est constitué de seulement quatre lettres dans une chaîne linéaire, les glycanes possèdent des dizaines d’unités de base. Certains d’entre eux sont dotés de groupes sulfate, acide et amide. Par exemple, même une molécule d'héparane sulfate d'origine naturelle relativement petite composée de six unités sucre peut avoir 32 768 séquences possibles. Le séquençage des glycanes reste fastidieux, reposant sur un travail de laboratoire minutieux et des analyses complexes utilisant des techniques telles que la chromatographie liquide, la spectrométrie de masse en tandem et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire.
Les logiciels nanopores et d'imagerie peuvent séquencer les glycosaminoglycanes sulfatés en temps réel. Crédit: Institut polytechnique Rensselaer.
Les scientifiques ont développé une version synthétique de l'héparine anticoagulante commune. Il séquença le GAG pour comprendre les formes naturelles et développer des variantes synthétiques.
L'équipe de scientifiques a ignoré chaque sulfate d'héparaneà travers les nanopores et construit un graphique montrant la tension de sortie de l'appareil en fonction du temps. Chacune des quatre variantes a traversé l'appareil plus de 2000 fois, ce qui a augmenté la probabilité statistique d'une lecture précise, en tenant compte de la conception élémentaire du nanopore expérimental.
L'appareil a séquencé le sulfate d'héparane le plus simple en temps réel et a créé un modèle que les scientifiques peuvent facilement reconnaître pour chacun des quatre échantillons à la fois. Il est immédiatement clair qu'ils sont différents.
Pour fournir une analyse objective, l'équipetéléchargé les résultats vers un logiciel gratuit d'apprentissage automatique et de reconnaissance d'image Ils ont utilisé le réseau neuronal profond de Google pour former un logiciel à distinguer quatre modèles différents et à identifier chaque variante du sulfate d'héparane. Le modèle le plus réussi a donné une analyse avec une précision de près de 97%.
Contenu des informations de séquence GAGpeut dépasser considérablement la même quantité d'ADN ou d'ARN. Cela signifie que la capacité de les lire ouvre rapidement une nouvelle fenêtre pour comprendre la biochimie complexe de la vie. La recherche de preuve de concept associe des techniques de détection nanométriques innovantes à des outils d'apprentissage automatique de pointe.
Diminution de la vitesse à laquelle les glycosaminoglycanespasser à travers les nanopores améliorera la précision, et l'appareil peut être entraîné sur des séquences plus complexes. Cependant, les scientifiques ont déjà réduit le temps nécessaire pour séquencer les molécules clés de GAG de quelques années à quelques minutes.
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