Un team del Rensselaer Polytechnic Institute ha dimostrato che il software per computer
Glicosaminoglicani: un repertorio complessosequenze, come un'opera di Shakespeare: un insieme complesso di lettere. Ci vuole un esperto per scriverli, così come ci vuole un esperto per leggerli. Abbiamo addestrato la macchina a leggere rapidamente l'equivalente di parole di quattro lettere come ababab o bcbcbc. Queste sono sequenze semplici che non hanno significato. Tuttavia, hanno dimostrato che è possibile insegnare a leggere a una macchina. Se aumentiamo e sviluppiamo questa tecnologia, avrà il potenziale per sequenziare glicani o anche proteine in tempo reale senza impiegare anni.
Robert Linhardt, ricercatore capo e professore. in chimica e biologia chimica presso il Rensselaer Polytechnic Institute
Dispositivi di sequenziamento commercialii nanopori vengono utilizzati per il sequenziamento del DNA. È composto da quattro unità di acido nucleico, note come lettere A, C, G e T, collegate tra loro in un'infinita varietà di configurazioni. Il dispositivo utilizza una corrente ionica attraverso un foro nella membrana largo solo pochi miliardesimi di metro. I filamenti di DNA sono posti su un lato del buco e tirati attraverso di esso con la corrente. Ogni acido nucleico blocca il foro in una certa misura mentre passa, interrompendo la corrente e fornendo un segnale specifico associato a quell'acido nucleico. I dispositivi attualmente utilizzati per la ricerca sul campo sono solo uno dei numerosi metodi di sequenziamento del DNA relativamente veloci e automatizzati.
I glicosaminoglicani (GAG) lo sonouna classe di glicani strutturalmente complessa. Questi sono gli zuccheri essenziali presenti negli organismi viventi. Hanno molteplici funzioni nella crescita e nella segnalazione cellulare, nell'anticoagulazione e nella guarigione delle ferite. Oggi i glicosaminoglicani vengono estratti dagli animali macellati e utilizzati come medicinali e nutraceutici.
Come il DNA, possono essere suddivisi inle loro unità zuccherine disaccaridiche costituenti. Ma mentre il DNA è composto solo da quattro lettere in una sequenza lineare, i glicani hanno dozzine di unità base. Ad alcuni di essi sono attaccati gruppi solfato, acido e ammidico. Ad esempio, anche una molecola di eparan solfato relativamente piccola, presente in natura e composta da sei unità di zucchero, può avere 32.768 possibili sequenze. Il sequenziamento dei glicani rimane complicato e si basa su un accurato lavoro di laboratorio e su analisi complesse che utilizzano tecniche come la cromatografia liquida, la spettrometria di massa tandem e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare.
Nanopore e il software di imaging possono sequenziare il glicosaminoglicano solfato in tempo reale. Credito: Rensselaer Polytechnic Institute.
Gli scienziati hanno sviluppato una versione sintetica della comune eparina che fluidifica il sangue. Sta sequenziando il GAG per comprendere le forme presenti in natura e per sviluppare varianti sintetiche.
Il team di scienziati ha saltato ogni eparan solfatoattraverso i nanopori e costruito un grafico che mostra la tensione di uscita del dispositivo rispetto al tempo. Ciascuna delle quattro varianti è passata attraverso il dispositivo più di 2.000 volte, il che ha aumentato la probabilità statistica di una lettura accurata, tenendo conto del design elementare del nanoporo sperimentale.
Il dispositivo ha sequenziato il più semplice eparan solfato in tempo reale e ha creato un modello che gli scienziati possono facilmente riconoscere contemporaneamente per ciascuno dei quattro campioni. È subito chiaro che sono diversi.
Per fornire un'analisi oggettiva, il teamha caricato i risultati nel software gratuito di machine learning e riconoscimento delle immagini. Hanno utilizzato la rete neurale profonda di Google per addestrare il software a distinguere quattro diversi modelli e identificare ciascuna variante di eparan solfato. Il modello di maggior successo ha fornito un'analisi con una precisione di quasi il 97%.
Contenuto delle informazioni sulla sequenza GAGpuò superare significativamente la stessa quantità di DNA o RNA. Ciò significa che la capacità di leggerli rapidamente apre una nuova finestra per la comprensione della complessa biochimica della vita. La ricerca proof-of-concept collega tecniche di rilevamento innovative su nanoscala a strumenti di apprendimento automatico all'avanguardia.
Diminuendo la velocità con cui i glicosaminoglicanipassare attraverso i nanopori, aumenterà la precisione e il dispositivo può essere addestrato su sequenze più complesse. Tuttavia, gli scienziati hanno già ridotto il tempo necessario per sequenziare le molecole GAG chiave da pochi anni a pochi minuti.
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Glicosaminoglicani, mucopolisaccaridi —la parte carboidratica dei proteoglicani, i polisaccaridi, che comprendono gli aminozuccheri-esosammine. Nell'organismo i glicosaminoglicani sono legati covalentemente alla parte proteica dei proteoglicani e non si trovano in forma libera.
Spettroscopia NMR - metodo spettroscopicoricerca di oggetti chimici utilizzando il fenomeno della risonanza magnetica nucleare. Il fenomeno NMR fu scoperto nel 1946 dai fisici americani F. Bloch ed E. Persel.
La cromatografia liquida e la spettrometria di massa tandem sono un metodo di analisi chimica ampiamente utilizzato che combina la separazione fisica della cromatografia liquida con la spettrometria di massa.