Ett team från Rensselaer Polytechnic Institute har bevisat att datorprogramvara
Glykosaminoglykaner - en komplex repertoarsekvenser, som ett verk av Shakespeare - en komplex uppsättning bokstäver. Det krävs en expert för att skriva dem, precis som det krävs en expert för att läsa dem. Vi tränade maskinen att snabbt läsa motsvarande fyra bokstäver som ababab eller bcbcbc. Det här är enkla sekvenser som inte har någon mening. De visade dock att en maskin kan läras att läsa. Om vi skalar upp och utvecklar den här tekniken har den potential att sekvensera glykaner eller till och med proteiner i realtid utan att det tar år.
Robert Linhardt, huvudforskare och professor. i kemi och kemisk biologi vid Rensselaer Polytechnic Institute
Kommersiella sekvenseringsenheternanoporer används för DNA-sekvensering. Den består av fyra nukleinsyraenheter, kända som bokstäverna A, C, G och T, länkade i ett oändligt antal konfigurationer. Enheten använder en jonström genom ett hål i membranet som bara är några miljarddelar av en meter bred. DNA-strängar placeras på ena sidan av hålet och dras genom det med ström. Varje nukleinsyra blockerar hålet i viss utsträckning när det passerar, stör strömmen och ger en specifik signal associerad med den nukleinsyran. De enheter som nu används för fältforskning är bara en av flera relativt snabba och automatiserade DNA-sekvenseringsmetoder.
Glykosaminoglykaner (GAG) ären strukturellt komplex klass av glykaner. Dessa är essentiella sockerarter som finns i levande organismer. De har flera funktioner i celltillväxt och signalering, antikoagulering och sårläkning. Idag utvinns glykosaminoglykaner från slaktade djur och används som läkemedel och nutraceuticals.
Liksom DNA kan de delas in ideras ingående disackaridsockerenheter. Men medan DNA bara består av fyra bokstäver i en linjär sträng, har glykaner dussintals grundläggande enheter. Vissa av dem har sulfat-, syra- och amidgrupper bundna. Till exempel kan även en relativt liten naturligt förekommande heparansulfatmolekyl med sex sockerenheter ha 32 768 möjliga sekvenser. Glykansekvensering förblir besvärlig och förlitar sig på noggrant laboratoriearbete och komplex analys med tekniker som vätskekromatografi och tandemmasspektrometri och kärnmagnetisk resonansspektroskopi.
Nanopore- och bildprogramvara kan sekvensera sulfaterad glykosaminoglykan i realtid. Upphovsman: Rensselaer Polytechnic Institute.
Forskare har utvecklat en syntetisk version av det vanliga blodförtunnande heparinet. Han sekvenserar GAG för att förstå naturligt förekommande former och för att utveckla syntetiska varianter.
Teamet av forskare hoppade över varje heparansulfatgenom nanoporerna och byggde en graf som visar enhetens utgångsspänning jämfört med tiden. Var och en av de fyra varianterna passerade genom enheten mer än 2000 gånger, vilket ökade den statistiska sannolikheten för korrekt avläsning, med hänsyn till den elementära utformningen av den experimentella nanoporen.
Enheten sekvenserade det enklaste heparansulfatet i realtid och skapade ett mönster som forskare lätt kan känna igen på en gång för vart och ett av de fyra proverna. Det är omedelbart tydligt att de är olika.
För att ge en objektiv analys, teametladdade upp resultaten till gratis programvara för maskininlärning och bildigenkänning. De använde Googles djupa neurala nätverk för att träna programvara för att urskilja fyra olika mönster och identifiera varje variant av heparansulfat. Den mest framgångsrika modellen gav en analys med en noggrannhet på nästan 97%.
GAG sekvensinformation innehållkan betydligt överstiga samma mängd DNA eller RNA. Detta innebär att förmågan att läsa dem snabbt öppnar ett nytt fönster för att förstå livets komplexa biokemi. Proof-of-concept-forskning länkar innovativa teknik för detektering av nanoskala till toppmoderna maskininlärningsverktyg.
Minskar den hastighet med vilken glykosaminoglykanerpassera genom nanoporerna, kommer att öka noggrannheten och enheten kan tränas i mer komplexa sekvenser. Men forskare har redan minskat tiden som krävs för sekvensering av viktiga GAG-molekyler från några år till minuter.
Läs mer
Fysiker har skapat en analog av ett svart hål och bekräftat Hawkings teori. Vart leder det?
Algoritmen har upptäckt ett nytt mystiskt lager inuti jorden
På grund av solen kommer jordens atmosfär att förlora allt gratis syre
Glykosaminoglykaner, mukopolysackarider —kolhydratdelen av proteoglykaner, polysackarider, som inkluderar aminosocker-hexosaminer. I kroppen är glykosaminoglykaner kovalent bundna till proteindelen av proteoglykaner och finns inte i fri form.
NMR-spektroskopi - spektroskopisk metodforskning av kemiska föremål med fenomenet kärnmagnetisk resonans. NMR-fenomenet upptäcktes 1946 av de amerikanska fysikerna F. Bloch och E. Persel.
Vätskekromatografi och tandemmasspektrometri är en allmänt använd metod för kemisk analys som kombinerar den fysiska separationen av vätskekromatografi med masspektrometri.