นักวิทยาศาสตร์ได้ลดเวลาในการจัดลำดับโมเลกุลสำคัญจากปีเหลือเป็นนาที

ทีมงานจาก Rensselaer Polytechnic Institute ได้พิสูจน์แล้วว่าซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์

การฝึกอบรมและการจดจำภาพมีความเหมาะสมเพื่อการระบุสายโซ่น้ำตาลที่รวดเร็วและแม่นยำ โดยเฉพาะเฮปารันซัลเฟตสังเคราะห์สี่ชนิด สัญญาณไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นเมื่อผ่านรูเล็กๆ ในแผ่นเวเฟอร์คริสตัล ผลลัพธ์ได้รับการเผยแพร่โดยวารสาร การดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ

Glycosaminoglycans - รายการที่ซับซ้อนลำดับเช่นเดียวกับงานของเช็คสเปียร์ - ชุดตัวอักษรที่ซับซ้อน ต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญในการเขียน เช่นเดียวกับที่ต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญในการอ่าน เราฝึกเครื่องให้อ่านคำที่มีตัวอักษรสี่ตัว เช่น อาบาบับ หรือ bcbcbc ได้อย่างรวดเร็ว เหล่านี้เป็นลำดับง่ายๆ ที่ไม่มีความหมาย อย่างไรก็ตาม พวกเขาแสดงให้เห็นว่าเครื่องสามารถสอนให้อ่านได้ หากเราขยายขนาดและพัฒนาเทคโนโลยีนี้ ก็จะมีศักยภาพในการเรียงลำดับไกลแคนหรือแม้แต่โปรตีนแบบเรียลไทม์โดยไม่ต้องใช้เวลาหลายปี

Robert Linhardt หัวหน้านักวิจัยและศาสตราจารย์ ในสาขาเคมีและชีววิทยาเคมีที่ Rensselaer Polytechnic Institute         

อุปกรณ์จัดลำดับเชิงพาณิชย์นาโนพอร์ใช้สำหรับการจัดลำดับดีเอ็นเอ ประกอบด้วยหน่วยกรดนิวคลีอิกสี่หน่วยซึ่งเรียกว่าตัวอักษร A, C, G และ T ซึ่งเชื่อมโยงเข้าด้วยกันในการกำหนดค่าที่หลากหลาย อุปกรณ์นี้ใช้กระแสไอออนิกผ่านรูในเมมเบรนกว้างเพียงไม่กี่พันล้านเมตร สายดีเอ็นเอวางอยู่ที่ด้านหนึ่งของรูและดึงผ่านด้วยกระแส กรดนิวคลีอิกแต่ละตัวจะปิดกั้นหลุมในระดับหนึ่งเมื่อผ่านไปรบกวนกระแสและให้สัญญาณเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับกรดนิวคลีอิกนั้น ขณะนี้อุปกรณ์ที่ใช้ในการวิจัยภาคสนามเป็นเพียงหนึ่งในวิธีการหาลำดับดีเอ็นเอที่ค่อนข้างรวดเร็วและอัตโนมัติ

สารไกลโคซามิโนไกลแคน (GAG) ได้แก่คลาสไกลแคนที่มีโครงสร้างซับซ้อน เหล่านี้เป็นน้ำตาลที่จำเป็นที่พบในสิ่งมีชีวิต มีหน้าที่หลายอย่างในการเจริญเติบโตและการส่งสัญญาณของเซลล์ การแข็งตัวของเลือด และการรักษาบาดแผล ปัจจุบันไกลโคซามิโนไกลแคนถูกสกัดจากสัตว์ที่ถูกเชือดและใช้เป็นยาและโภชนเภสัช

เช่นเดียวกับ DNA พวกเขาสามารถแบ่งออกเป็นหน่วยน้ำตาลไดแซ็กคาไรด์ที่เป็นส่วนประกอบ แม้ว่า DNA จะประกอบด้วยตัวอักษรเพียงสี่ตัวในเส้นตรง แต่ไกลแคนก็มีหน่วยพื้นฐานหลายสิบหน่วย บางชนิดมีหมู่ซัลเฟต กรด และเอไมด์ติดอยู่ ตัวอย่างเช่น แม้แต่โมเลกุลเฮปารานซัลเฟตที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่มีขนาดค่อนข้างเล็กจากหน่วยน้ำตาล 6 หน่วยก็อาจมีลำดับที่เป็นไปได้ 32,768 ลำดับ การหาลำดับไกลแคนยังคงยุ่งยาก โดยอาศัยงานในห้องปฏิบัติการที่ต้องใช้ความอุตสาหะและการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น โครมาโทกราฟีของเหลวและแมสสเปกโตรเมทรีแบบคู่ และสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์

ซอฟต์แวร์นาโนพอร์และการถ่ายภาพสามารถจัดลำดับไกลโคซามิโนไกลแคนซัลเฟตได้แบบเรียลไทม์ เครดิต: Rensselaer Polytechnic Institute

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเวอร์ชันสังเคราะห์ของเฮปารินที่ทำให้เลือดจางลง เขากำลังจัดลำดับ GAG เพื่อทำความเข้าใจรูปแบบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและพัฒนาตัวแปรสังเคราะห์

ทีมนักวิทยาศาสตร์ข้าม heparan sulfate ทุกตัวผ่านนาโนพอร์และสร้างกราฟแสดงแรงดันไฟฟ้าขาออกของอุปกรณ์เทียบกับเวลา ตัวแปรทั้งสี่แต่ละตัวผ่านอุปกรณ์มากกว่า 2,000 ครั้งซึ่งเพิ่มความน่าจะเป็นทางสถิติในการอ่านค่าที่ถูกต้องโดยคำนึงถึงการออกแบบเบื้องต้นของแกนนาโนทดลอง

อุปกรณ์ดังกล่าวจัดลำดับฮีปาแรนซัลเฟตที่ง่ายที่สุดในแบบเรียลไทม์และสร้างรูปแบบที่นักวิทยาศาสตร์สามารถจดจำได้ง่ายในคราวเดียวสำหรับแต่ละตัวอย่างทั้งสี่ตัวอย่าง เป็นที่ชัดเจนทันทีว่าพวกเขาแตกต่างกัน

เพื่อให้การวิเคราะห์วัตถุประสงค์ทีมงานอัปโหลดผลลัพธ์ไปยังซอฟต์แวร์แมชชีนเลิร์นนิงและซอฟต์แวร์จดจำรูปภาพฟรี พวกเขาใช้เครือข่ายประสาทเทียมของ Google ในการฝึกอบรมซอฟต์แวร์เพื่อแยกแยะรูปแบบที่แตกต่างกันสี่รูปแบบและระบุตัวแปร heparan sulfate แบบจำลองที่ประสบความสำเร็จสูงสุดให้การวิเคราะห์ที่มีความแม่นยำเกือบ 97%

เนื้อหาข้อมูลลำดับ GAGสามารถเกิน DNA หรือ RNA ในปริมาณที่เท่ากันได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่าความสามารถในการอ่านได้อย่างรวดเร็วจะเปิดหน้าต่างใหม่สำหรับการทำความเข้าใจชีวเคมีที่ซับซ้อนของชีวิต การวิจัยเชิงพิสูจน์แนวคิดเชื่อมโยงเทคนิคการตรวจจับระดับนาโนที่เป็นนวัตกรรมใหม่กับเครื่องมือการเรียนรู้ของเครื่องที่ทันสมัย

ลดอัตราที่ไกลโคซามิโนไกลแคนผ่าน nanopores จะเพิ่มความแม่นยำและอุปกรณ์สามารถฝึกกับลำดับที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ได้ลดเวลาที่ต้องใช้ในการจัดลำดับโมเลกุล GAG ที่สำคัญจากไม่กี่ปีเหลือเพียงไม่กี่นาที

อ่านเพิ่มเติม

นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?

อัลกอริทึมได้ค้นพบชั้นลึกลับใหม่ภายในโลก

เนื่องจากดวงอาทิตย์ชั้นบรรยากาศของโลกจะสูญเสียออกซิเจนฟรีทั้งหมด

ไกลโคซามิโนไกลแคน มิวโคโพลีแซ็กคาไรด์  —ส่วนคาร์โบไฮเดรตของโปรตีโอไกลแคน, โพลีแซ็กคาไรด์ซึ่งรวมถึงน้ำตาลอะมิโน - เฮกโซซามีน ในร่างกาย ไกลโคซามิโนไกลแคนจับกับโควาเลนต์กับส่วนโปรตีนของโปรตีโอไกลแคน และไม่พบในรูปแบบอิสระ

NMR spectroscopy - วิธีสเปกโทรสโกปีการวิจัยวัตถุเคมีโดยใช้ปรากฏการณ์ของเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ ปรากฏการณ์ NMR ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2489 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน F.Bloch และ E. Persel

โครมาโทกราฟีของเหลวและสเปกโตรเมตรีมวลคู่เป็นวิธีการวิเคราะห์ทางเคมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งรวมการแยกทางกายภาพของโครมาโตกราฟีของเหลวกับมวลสาร