Een team van het Rensselaer Polytechnic Institute heeft die computersoftware bewezen
Glycosaminoglycanen - een complex repertoirereeksen, zoals een werk van Shakespeare - een complexe reeks letters. Er is een expert nodig om ze te schrijven, net zoals er een expert nodig is om ze te lezen. We hebben de machine getraind om snel het equivalent van woorden van vier letters te lezen, zoals ababab of bcbcbc. Dit zijn eenvoudige reeksen die geen betekenis hebben. Ze toonden echter aan dat je een machine kunt leren lezen. Als we deze technologie opschalen en ontwikkelen, heeft deze het potentieel om glycanen of zelfs eiwitten in realtime te sequencen zonder jaren te duren.
Robert Linhardt, hoofdonderzoeker en professor. in scheikunde en chemische biologie aan het Rensselaer Polytechnic Institute
Commerciële sequencing-apparatennanoporiën worden gebruikt voor het bepalen van de DNA-sequentie. Het bestaat uit vier nucleïnezuureenheden die bekend staan als de letters A, C, G en T, met elkaar verbonden in een eindeloze verscheidenheid aan configuraties. Het apparaat maakt gebruik van een ionische stroom door een gat in het membraan van slechts enkele miljardsten van een meter breed. DNA-strengen worden aan één kant van het gat geplaatst en er met stroom doorheen getrokken. Elk nucleïnezuur blokkeert het gat tot op zekere hoogte terwijl het passeert, waardoor de stroom wordt verstoord en een specifiek signaal wordt gegeven dat is geassocieerd met dat nucleïnezuur. De apparaten die nu in veldonderzoek worden gebruikt, zijn slechts een van de vele relatief snelle en geautomatiseerde methoden voor het bepalen van de DNA-sequentie.
Glycosaminoglycanen (GAG) zijn dat weleen structureel complexe klasse van glycanen. Dit zijn essentiële suikers die voorkomen in levende organismen. Ze hebben meerdere functies bij celgroei en signalering, antistolling en wondgenezing. Tegenwoordig worden glycosaminoglycanen gewonnen uit geslachte dieren en gebruikt als medicijnen en nutraceuticals.
Net als DNA kunnen ze worden onderverdeeld inhun samenstellende disacharidesuikereenheden. Maar terwijl DNA uit slechts vier letters in een lineaire reeks bestaat, hebben glycanen tientallen basiseenheden. Aan sommige ervan zijn sulfaat-, zuur- en amidegroepen bevestigd. Zelfs een relatief klein natuurlijk voorkomend heparansulfaatmolecuul van zes suikereenheden kan bijvoorbeeld 32.768 mogelijke sequenties hebben. Het sequencen van glycanen blijft omslachtig en is afhankelijk van nauwgezet laboratoriumwerk en complexe analyses met behulp van technieken als vloeistofchromatografie, tandemmassaspectrometrie en nucleaire magnetische resonantiespectroscopie.
Nanopore en beeldvormingssoftware kunnen gesulfateerde glycosaminoglycanen in realtime sequencen. Krediet: Rensselaer Polytechnic Institute.
Wetenschappers hebben een synthetische versie van de veel voorkomende bloedverdunnende heparine ontwikkeld. Hij is bezig met het sequencen van de GAG om natuurlijk voorkomende vormen te begrijpen en om synthetische varianten te ontwikkelen.
Het team van wetenschappers heeft elk heparaansulfaat overgeslagendoor de nanoporiën en bouwde een grafiek die de uitgangsspanning van het apparaat tegen de tijd laat zien. Elk van de vier varianten ging meer dan 2000 keer door het apparaat, wat de statistische waarschijnlijkheid van nauwkeurige aflezing verhoogde, rekening houdend met het elementaire ontwerp van de experimentele nanoporie.
Het apparaat heeft het eenvoudigste heparaansulfaat in realtime gesequenced en een patroon gecreëerd dat wetenschappers gemakkelijk kunnen herkennen voor elk van de vier monsters tegelijk. Het is meteen duidelijk dat ze verschillend zijn.
Om een objectieve analyse te geven, heeft het teamheeft de resultaten geüpload naar gratis software voor machine learning en beeldherkenning. Ze gebruikten het diepe neurale netwerk van Google om software te trainen om vier verschillende patronen te onderscheiden en elke variant van heparansulfaat te identificeren. Het meest succesvolle model leverde een analyse op met een nauwkeurigheid van bijna 97%.
GAG sequentie-informatie inhoudkan dezelfde hoeveelheid DNA of RNA aanzienlijk overschrijden. Dit betekent dat het vermogen om ze te lezen snel een nieuw venster opent om de complexe biochemie van het leven te begrijpen. Proof-of-concept-onderzoek koppelt innovatieve detectietechnieken op nanoschaal aan ultramoderne tools voor machine learning.
Het verlagen van de snelheid waarmee glycosaminoglycanenpasseren door de nanoporiën, zal de nauwkeurigheid verhogen, en het apparaat kan worden getraind op meer complexe sequenties. Wetenschappers hebben de tijd die nodig is om de belangrijkste GAG-moleculen te sequencen echter al teruggebracht van een paar jaar tot minuten.
Lees verder
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?
Algoritme heeft een nieuwe mysterieuze laag in de aarde ontdekt
Door de zon verliest de atmosfeer van de aarde alle vrije zuurstof
Glycosaminoglycanen, mucopolysachariden —het koolhydraatgedeelte van proteoglycanen, polysachariden, waaronder aminosuikers-hexosaminen. In het lichaam zijn glycosaminoglycanen covalent gebonden aan het eiwitgedeelte van proteoglycanen en worden ze niet in vrije vorm aangetroffen.
NMR-spectroscopie - spectroscopische methodeonderzoek van chemische objecten met behulp van het fenomeen van nucleaire magnetische resonantie. Het NMR-fenomeen werd in 1946 ontdekt door de Amerikaanse natuurkundigen F. Bloch en E. Persel.
Vloeistofchromatografie en tandem-massaspectrometrie is een wijdverbreide methode voor chemische analyse die de fysieke scheiding van vloeistofchromatografie combineert met massaspectrometrie.