O echipă de la Institutul Politehnic Rensselaer a dovedit că software-ul de calculator
Glicozaminoglicanii - un repertoriu complexsecvențe, ca o operă a lui Shakespeare - un set complex de litere. Este nevoie de un expert pentru a le scrie, la fel cum este nevoie de un expert pentru a le citi. Am antrenat aparatul să citească rapid echivalentul unor cuvinte din patru litere, cum ar fi ababab sau bcbcbc. Acestea sunt secvențe simple care nu au sens. Cu toate acestea, ei au arătat că o mașină poate fi învățată să citească. Dacă extindem și dezvoltăm această tehnologie, ea are potențialul de a secvența glicanii sau chiar proteinele în timp real, fără a dura ani.
Robert Linhardt, cercetător principal și profesor. în chimie și biologie chimică la Institutul Politehnic Rensselaer
Dispozitive de secvențiere comercialenanoporii sunt utilizați pentru secvențierea ADN-ului. Este alcătuit din patru unități de acid nucleic, cunoscute sub numele de literele A, C, G și T, legate între ele într-o varietate infinită de configurații. Dispozitivul folosește un curent ionic printr-o gaură din membrană de doar câteva miliarde de metru lățime. Toroane ADN sunt plasate pe o parte a găurii și trase prin ea cu curent. Fiecare acid nucleic blochează gaura într-o oarecare măsură pe măsură ce trece, perturbând curentul și oferind un semnal specific asociat cu acel acid nucleic. Dispozitivele folosite acum pentru cercetarea pe teren sunt doar una dintre mai multe metode relativ rapide și automatizate de secvențiere a ADN-ului.
Glicozaminoglicanii (GAG) sunto clasă complexă structural de glicani. Acestea sunt zaharuri esențiale găsite în organismele vii. Ele au funcții multiple în creșterea și semnalizarea celulelor, anticoagularea și vindecarea rănilor. Astăzi, glicozaminoglicanii sunt extrași din animalele sacrificate și folosiți ca medicamente și nutraceutice.
La fel ca ADN-ul, ele pot fi împărțite înunitățile lor constitutive de zahăr dizaharid. Dar, în timp ce ADN-ul este format din doar patru litere dintr-un șir liniar, glicanii au zeci de unități de bază. Unele dintre ele au grupări sulfat, acid și amidă atașate. De exemplu, chiar și o moleculă relativ mică de sulfat de heparan natural de șase unități de zahăr poate avea 32.768 de secvențe posibile. Secvențierea glicanilor rămâne greoaie, bazându-se pe o muncă minuțioasă de laborator și pe analize complexe folosind tehnici precum cromatografia lichidă și spectrometria de masă în tandem și spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară.
Nanopore și software-ul de imagistică pot secvența glicozaminoglicanul sulfat în timp real. Credit: Institutul Politehnic Rensselaer.
Oamenii de știință au dezvoltat o versiune sintetică a heparinei comune pentru subțierea sângelui. El secvențează GAG pentru a înțelege formele naturale și pentru a dezvolta variante sintetice.
Echipa de oameni de știință a sărit peste fiecare heparan sulfatprin nanopori și a construit un grafic care arată tensiunea de ieșire a dispozitivului în funcție de timp. Fiecare dintre cele patru variante a trecut prin dispozitiv de peste 2.000 de ori, ceea ce a crescut probabilitatea statistică a citirii exacte, luând în considerare proiectarea elementară a nanoporului experimental.
Dispozitivul a secvențiat cel mai simplu sulfat de heparan în timp real și a creat un model pe care oamenii de știință îl pot recunoaște cu ușurință pentru fiecare dintre cele patru probe simultan. Imediat este clar că sunt diferite.
Pentru a oferi o analiză obiectivă, echipaa încărcat rezultatele în software-ul gratuit de învățare automată și de recunoaștere a imaginilor. Au folosit rețeaua neuronală profundă Google, software-ul de instruire pentru a distinge patru modele diferite și a identifica fiecare variantă de sulfat de heparan. Cel mai de succes model a oferit o analiză cu o precizie de aproape 97%.
Conținutul informațiilor despre secvența GAGpoate depăși în mod semnificativ aceeași cantitate de ADN sau ARN. Aceasta înseamnă că abilitatea de a le citi deschide rapid o nouă fereastră pentru înțelegerea biochimiei complexe a vieții. Cercetarea dovedirii conceptului leagă tehnici inovatoare de detectare la scară nanomedicinală cu instrumente de învățare automată de ultimă generație.
Scăderea ratei la care glicozaminoglicaniitrece prin nanopori, va crește precizia, iar dispozitivul poate fi antrenat pe secvențe mai complexe. Cu toate acestea, oamenii de știință au redus deja timpul necesar secvențierii moleculelor cheie GAG de la câțiva ani la minute.
Citeste mai mult
Fizicienii au creat un analog al unei găuri negre și au confirmat teoria lui Hawking. Unde duce?
Algoritmul a descoperit un nou strat misterios în interiorul Pământului
Din cauza Soarelui, atmosfera Pământului va pierde tot oxigenul liber
Glicozaminoglicani, mucopolizaharide —partea carbohidrată a proteoglicanilor, polizaharide, care includ amino zaharuri-hexozamine. În organism, glicozaminoglicanii sunt legați covalent de partea proteică a proteoglicanilor și nu se găsesc în formă liberă.
Spectroscopie RMN - metodă spectroscopicăcercetarea obiectelor chimice folosind fenomenul rezonanței magnetice nucleare. Fenomenul RMN a fost descoperit în 1946 de către fizicienii americani F. Bloch și E. Persel.
Cromatografia lichidă și spectrometria de masă tandem este o metodă larg răspândită de analiză chimică care combină separarea fizică a cromatografiei lichide cu spectrometria de masă.