Uma equipe do Rensselaer Polytechnic Institute provou que o software de computador
Glicosaminoglicanos – um repertório complexosequências, como uma obra de Shakespeare - um conjunto complexo de letras. É preciso um especialista para escrevê-los, assim como é preciso um especialista para lê-los. Treinamos a máquina para ler rapidamente o equivalente a palavras de quatro letras, como ababab ou bcbcbc. Estas são sequências simples que não têm significado. Contudo, eles mostraram que uma máquina pode ser ensinada a ler. Se ampliarmos e desenvolvermos esta tecnologia, ela terá o potencial de sequenciar glicanos ou mesmo proteínas em tempo real, sem levar anos.
Robert Linhardt, pesquisador principal e professor. em química e biologia química pelo Rensselaer Polytechnic Institute
Dispositivos de sequenciamento comercialnanoporos são usados para sequenciamento de DNA. É composto de quatro unidades de ácido nucléico, conhecidas como letras A, C, G e T, unidas em uma variedade infinita de configurações. O dispositivo usa uma corrente iônica através de um orifício na membrana de apenas alguns bilionésimos de metro de largura. Os filamentos de DNA são colocados em um lado do orifício e puxados por ele com a corrente. Cada ácido nucleico bloqueia o buraco até certo ponto à medida que ele passa, interrompendo a corrente e dando um sinal específico associado a esse ácido nucleico. Os dispositivos usados agora para pesquisa de campo são apenas um dos vários métodos de sequenciamento de DNA relativamente rápidos e automatizados.
Os glicosaminoglicanos (GAG) sãouma classe estruturalmente complexa de glicanos. Estes são açúcares essenciais encontrados nos organismos vivos. Eles têm múltiplas funções no crescimento e sinalização celular, anticoagulação e cicatrização de feridas. Hoje, os glicosaminoglicanos são extraídos de animais abatidos e utilizados como medicamentos e nutracêuticos.
Assim como o DNA, eles podem ser divididos emsuas unidades dissacarídicas constituintes de açúcar. Mas enquanto o ADN consiste em apenas quatro letras numa cadeia linear, os glicanos têm dezenas de unidades básicas. Alguns deles possuem grupos sulfato, ácido e amida anexados. Por exemplo, mesmo uma molécula de heparano sulfato de ocorrência natural relativamente pequena, com seis unidades de açúcar, pode ter 32.768 sequências possíveis. O sequenciamento de glicanos permanece complicado, dependendo de trabalho laboratorial meticuloso e análises complexas usando técnicas como cromatografia líquida e espectrometria de massa em tandem e espectroscopia de ressonância magnética nuclear.
Nanopore e software de imagem podem sequenciar glicosaminoglicanos sulfatados em tempo real. Crédito: Rensselaer Polytechnic Institute.
Os cientistas desenvolveram uma versão sintética da heparina comum, que elimina o sangue. Ele está sequenciando o GAG para entender as formas que ocorrem naturalmente e desenvolver variantes sintéticas.
A equipe de cientistas pulou cada sulfato de heparanoatravés dos nanoporos e construiu um gráfico mostrando a tensão de saída do dispositivo em função do tempo. Cada uma das quatro variantes passou pelo dispositivo mais de 2.000 vezes, o que aumentou a probabilidade estatística de leitura precisa, levando-se em consideração o desenho elementar do nanoporo experimental.
O dispositivo sequenciou o sulfato de heparano mais simples em tempo real e criou um padrão que os cientistas podem reconhecer facilmente de uma vez para cada uma das quatro amostras. É imediatamente claro que eles são diferentes.
Para fornecer uma análise objetiva, a equipecarregou os resultados para um software gratuito de aprendizado de máquina e reconhecimento de imagem. Eles usaram a rede neural profunda do Google para treinar o software para distinguir quatro padrões diferentes e identificar cada variante do sulfato de heparano. O modelo de maior sucesso deu a análise com uma precisão de quase 97%.
Conteúdo de informação da sequência GAGpode exceder significativamente a mesma quantidade de DNA ou RNA. Isso significa que a capacidade de lê-los rapidamente abre uma nova janela para a compreensão da complexa bioquímica da vida. A pesquisa de prova de conceito vincula técnicas inovadoras de nanodescoberta a ferramentas de aprendizado de máquina de última geração.
Diminuindo a taxa na qual os glicosaminoglicanospassar pelos nanoporos, aumentará a precisão e o dispositivo poderá ser treinado em sequências mais complexas. No entanto, os cientistas já reduziram o tempo necessário para sequenciar moléculas GAG-chave de alguns anos para minutos.
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