Rensselaer Polytechnic Institute의 팀은 컴퓨터 소프트웨어가
글리코사미노글리칸 - 복잡한 레퍼토리셰익스피어의 작품과 같은 일련의 복잡한 문자 세트입니다. 글을 읽으려면 전문가가 필요한 것처럼, 글을 쓰려면 전문가가 필요합니다. 우리는 ababab이나 bcbcbc와 같은 4글자 단어에 해당하는 단어를 빠르게 읽도록 기계를 훈련시켰습니다. 이는 의미가 없는 단순한 시퀀스입니다. 그러나 그들은 기계가 읽는 법을 가르칠 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이 기술을 확장하고 개발하면 몇 년이 걸리지 않고 실시간으로 글리칸이나 심지어 단백질의 서열을 분석할 수 있는 잠재력이 있습니다.
수석 연구원이자 교수인 Robert Linhardt. Rensselaer Polytechnic Institute에서 화학 및 화학 생물학 전공
상업용 시퀀싱 장치nanopores는 DNA 시퀀싱에 사용됩니다. 그것은 문자 A, C, G 및 T로 알려진 4개의 핵산 단위로 구성되어 있으며 끝없이 다양한 구성으로 함께 연결되어 있습니다. 이 장치는 불과 수십억 분의 1미터 너비의 멤브레인 구멍을 통해 이온 전류를 사용합니다. DNA 가닥은 구멍의 한쪽에 배치되고 전류로 구멍을 통해 당겨집니다. 각 핵산은 통과할 때 구멍을 어느 정도 차단하여 전류를 방해하고 해당 핵산과 관련된 특정 신호를 제공합니다. 현재 현장 연구에 사용되는 장치는 몇 가지 비교적 빠르고 자동화된 DNA 시퀀싱 방법 중 하나일 뿐입니다.
글리코사미노글리칸(GAG)은구조적으로 복잡한 종류의 글리칸. 이들은 살아있는 유기체에서 발견되는 필수 설탕입니다. 그들은 세포 성장과 신호 전달, 항응고 및 상처 치유에 다양한 기능을 가지고 있습니다. 오늘날 글리코사미노글리칸은 도살된 동물에서 추출되어 의약품 및 기능 식품으로 사용됩니다.
DNA와 마찬가지로 다음과 같이 나눌 수 있습니다.그들의 구성 이당류 설탕 단위. 그러나 DNA는 선형 문자열에서 단 4개의 문자로 구성되어 있지만 글리칸에는 수십 개의 기본 단위가 있습니다. 그들 중 일부는 황산염, 산 및 아미드 그룹이 부착되어 있습니다. 예를 들어, 6개의 당 단위로 구성된 상대적으로 작은 자연 발생 헤파란 설페이트 분자라도 32,768개의 가능한 서열을 가질 수 있습니다. 글리칸 서열 분석은 힘든 실험실 작업과 액체 크로마토그래피, 직렬 질량 분석법, 핵자기공명 분광법과 같은 기술을 사용한 복잡한 분석에 의존하기 때문에 여전히 번거롭습니다.
나노포어 및 이미징 소프트웨어는 황산화 글리코사미노글리칸을 실시간으로 시퀀싱할 수 있습니다. 크레딧: Rensselaer Polytechnic Institute.
과학자들은 일반적인 혈액 희석제 헤파린의 합성 버전을 개발했습니다. 그는 자연적으로 발생하는 형태를 이해하고 합성 변이체를 개발하기 위해 GAG를 시퀀싱하고 있습니다.
과학자 팀은 모든 헤파란 설페이트를 건너 뛰었습니다.나노 기공을 통해 시간에 대한 장치의 출력 전압을 보여주는 그래프를 만들었습니다. 4개의 변종은 각각 2,000회 이상 장치를 통과했으며, 이는 실험용 나노포어의 기본 설계를 고려하여 정확한 판독의 통계적 확률을 높였습니다.
이 장치는 가장 단순한 황산헤파란을 실시간으로 시퀀싱하고 과학자들이 4개의 샘플 각각에 대해 한 번에 쉽게 인식할 수 있는 패턴을 생성했습니다. 그들이 다르다는 것은 즉시 명백합니다.
객관적인 분석을 제공하기 위해 팀결과를 무료 기계 학습 및 이미지 인식 소프트웨어에 업로드했습니다. 그들은 Google의 심층 신경망을 사용하여 4가지 패턴을 구별하고 헤파란 황산염의 각 변종을 식별하도록 소프트웨어를 훈련했습니다. 가장 성공적인 모델은 거의 97%의 정확도로 분석을 제공했습니다.
GAG 시퀀스 정보 내용동일한 양의 DNA 또는 RNA를 상당히 초과할 수 있습니다. 이것은 그것들을 빠르게 읽을 수 있는 능력이 생명의 복잡한 생화학을 이해하기 위한 새로운 창을 열어준다는 것을 의미합니다. 개념 증명 연구는 혁신적인 나노 규모 감지 기술을 최첨단 기계 학습 도구에 연결합니다.
글리코사미노글리칸의 생성 속도 감소나노 기공을 통과하면 정확도가 증가하고 장치는 더 복잡한 시퀀스에 대해 훈련될 수 있습니다. 그러나 과학자들은 이미 주요 GAG 분자의 서열을 결정하는 데 걸리는 시간을 몇 년에서 몇 분으로 단축했습니다.
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