Zespół z Rensselaer Polytechnic Institute udowodnił, że oprogramowanie komputerowe
Glikozaminoglikany – złożony repertuarsekwencje, niczym dzieło Szekspira – złożony zbiór liter. Do ich napisania potrzebny jest ekspert, tak samo jak ekspert do ich przeczytania. Wytrenowaliśmy maszynę, aby szybko czytała odpowiedniki czteroliterowych słów, takich jak ababab czy bcbcbc. Są to proste sekwencje, które nie mają żadnego znaczenia. Pokazali jednak, że maszynę można nauczyć czytać. Jeśli zwiększymy skalę i rozwiniemy tę technologię, będzie ona miała potencjał sekwencjonowania glikanów, a nawet białek w czasie rzeczywistym, bez konieczności zajmowania lat.
Robert Linhardt, główny badacz i profesor. uzyskał tytuł doktora chemii i biologii chemicznej w Rensselaer Polytechnic Institute
Komercyjne urządzenia do sekwencjonowaniaDo sekwencjonowania DNA wykorzystuje się nanopory. Składa się z czterech jednostek kwasu nukleinowego, znanych jako litery A, C, G i T, połączonych ze sobą w nieskończonej różnorodności konfiguracji. Urządzenie wykorzystuje prąd jonowy przez otwór w membranie o szerokości zaledwie kilku miliardowych metra. Nici DNA umieszcza się po jednej stronie dziury i przeciąga przez nią prądem. Każdy kwas nukleinowy blokuje w pewnym stopniu dziurę podczas jej przechodzenia, zaburzając prąd i dając specyficzny sygnał związany z tym kwasem nukleinowym. Urządzenia wykorzystywane obecnie w badaniach terenowych to tylko jedna z kilku stosunkowo szybkich i zautomatyzowanych metod sekwencjonowania DNA.
Glikozaminoglikany (GAG) sąstrukturalnie złożona klasa glikanów. Są to niezbędne cukry występujące w organizmach żywych. Pełnią wiele funkcji we wzroście i sygnalizacji komórek, działaniu przeciwzakrzepowym i gojeniu ran. Obecnie glikozaminoglikany są ekstrahowane z ubitych zwierząt i stosowane jako leki i nutraceutyki.
Podobnie jak DNA, można je podzielić natworzące je jednostki cukru disacharydowego. Ale chociaż DNA składa się tylko z czterech liter w liniowym ciągu, glikany mają dziesiątki podstawowych jednostek. Niektóre z nich mają przyłączone grupy siarczanowe, kwasowe i amidowe. Na przykład nawet stosunkowo mała naturalnie występująca cząsteczka siarczanu heparanu złożona z sześciu jednostek cukru może mieć 32 768 możliwych sekwencji. Sekwencjonowanie glikanów pozostaje kłopotliwe i opiera się na żmudnej pracy laboratoryjnej i złożonej analizie z wykorzystaniem technik takich jak chromatografia cieczowa i tandemowa spektrometria mas oraz spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego.
Oprogramowanie Nanopore i oprogramowanie do obrazowania może w czasie rzeczywistym sekwencjonować siarczanowany glikozaminoglikan. Źródło: Instytut Politechniczny Rensselaer.
Naukowcy opracowali syntetyczną wersję popularnej heparyny rozrzedzającej krew. Sekwencjonuje GAG, aby zrozumieć naturalnie występujące formy i opracować syntetyczne warianty.
Zespół naukowców pominął każdy siarczan heparanuprzez nanopory i zbudowano wykres przedstawiający napięcie wyjściowe urządzenia w funkcji czasu. Każdy z czterech wariantów przeszedł przez urządzenie ponad 2000 razy, co zwiększyło statystyczne prawdopodobieństwo dokładnego odczytu, biorąc pod uwagę elementarną konstrukcję eksperymentalnego nanoporu.
Urządzenie zsekwencjonowało najprostszy siarczan heparanu w czasie rzeczywistym i stworzyło wzór, który naukowcy mogą łatwo rozpoznać dla każdej z czterech próbek jednocześnie. Od razu widać, że są różne.
Aby zapewnić obiektywną analizę, zespółprzesłał wyniki do bezpłatnego oprogramowania do uczenia maszynowego i rozpoznawania obrazów. Wykorzystali głęboką sieć neuronową Google, aby nauczyć oprogramowanie rozróżniać cztery różne wzorce i identyfikować każdy wariant siarczanu heparanu. Najbardziej udany model dał analizę z dokładnością prawie 97%.
Zawartość informacji o sekwencji GAGmoże znacznie przekroczyć tę samą ilość DNA lub RNA. Oznacza to, że umiejętność ich szybkiego odczytania otwiera nowe okno do zrozumienia złożonej biochemii życia. Badania weryfikacyjne łączą innowacyjne techniki wykrywania w nanoskali z najnowocześniejszymi narzędziami uczenia maszynowego.
Zmniejszenie tempa, w jakim glikozaminoglikanyprzejść przez nanopory, zwiększy dokładność, a urządzenie będzie mogło być trenowane na bardziej złożonych sekwencjach. Jednak naukowcy skrócili już czas potrzebny na sekwencjonowanie kluczowych cząsteczek GAG z kilku lat do minut.
Czytaj więcej
Fizycy stworzyli analogię czarnej dziury i potwierdzili teorię Hawkinga. Dokąd to prowadzi?
Algorytm odkrył nową tajemniczą warstwę wewnątrz Ziemi
Z powodu Słońca atmosfera ziemska utraci cały wolny tlen
Glikozaminoglikany, mukopolisacharydy —część węglowodanowa proteoglikanów, polisacharydów, do których należą aminocukry-heksozaminy. W organizmie glikozaminoglikany są kowalencyjnie związane z częścią białkową proteoglikanów i nie występują w postaci wolnej.
Spektroskopia NMR - metoda spektroskopowabadania obiektów chemicznych z wykorzystaniem zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Zjawisko NMR odkryli w 1946 roku amerykańscy fizycy F. Bloch i E. Persel.
Chromatografia cieczowa i tandemowa spektrometria mas to szeroko rozpowszechniona metoda analizy chemicznej, która łączy fizyczne rozdzielenie chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas.