Команда з Політехнічного інституту Ренсселера довела, що програмне забезпечення для машинного
Глікозаміноглікани - складний репертуарпослідовностей, як твір Шекспіра - складний набір букв. Для їх написання потрібний експерт, як і для читання. Ми навчили машину швидко читати еквівалент слів із чотирьох літер, таких як ababab або bcbcbc. Це прості послідовності, які мають ніякого значення. Однак вони показали, що машину можна навчити читати. Якщо ми розширимо і розробимо цю технологію, вона має потенціал для секвенування гліканів або навіть білків у реальному часі, не витрачаючи на це роки.
Роберт Лінхардт, провідний дослідник та професор. хімії та хімічної біології в Політехнічному інституті Ренсселера
Комерційні пристрої для секвенуваннянанопор використовуються для секвенування ДНК. Вона складається з чотирьох одиниць нуклеїнової кислоти, відомих під буквами A, C, G і T, з'єднаних разом в нескінченному розмаїтті конфігурацій. Пристрій використовує іонний струм, що проходить через отвір в мембрані шириною всього кілька мільярдних часток метра. Нитки ДНК поміщаються з одного боку отвори і простягаються крізь неї зі струмом. Кожна нуклеїнова кислота в деякій мірі блокує отвір, коли воно проходить, порушуючи ток і даючи певний сигнал, пов'язаний з цією нуклеїнової кислотою. Пристрої, які зараз використовуються для польових досліджень, є лише одним з кількох щодо швидких і автоматизованих методів секвенування ДНК.
Глікозаміноглікани (GAG) являють собоюструктурно складний клас гліканів Це незамінні цукри, присутні у живих організмах. Вони виконують безліч функцій у клітинному зростанні та передачі сигналів, антикоагуляції та загоєнні ран. Сьогодні глікозаміноглікани витягуються із забитих тварин, використовуються в якості ліків і нутрицевтиків.
Подібно до ДНК, їх можна підрозділити наскладові їх дисахаридні цукрові одиниці. Але в той час, як ДНК складається лише з чотирьох букв у лінійному рядку, у гліканів — десятки основних одиниць. Деякі з них мають приєднані сульфатні, кислотні та амідні групи. Наприклад, навіть у відносно невеликої молекули гепарансульфату, що зустрічається в природі, з шести цукрових одиниць може бути 32 768 можливих послідовностей. Секвенування гліканів залишається обтяжливим, покладаючись на копітку лабораторну роботу і складний аналіз з використанням таких методів, як рідка хроматографія і тандемна мас-спектрометрія і спектроскопія ядерного магнітного резонансу.
Програмне забезпечення для розпізнавання нанопор і зображень може секвенувати сульфатованих глікозаміноглікан в реальному часі. Надано: Політехнічний інститут Ренсселера.
Вчені розробили синтетичний варіант звичайного розріджує кров гепарину. Він секвеніруют GAG, щоб зрозуміти зустрічаються в природі форми і розробити його синтетичні варіанти.
Команда вчених пропустила кожен гепарансульфатчерез нанопори і побудувала графік, що відображає вихідну напругу пристрою в залежності від часу. Кожен з чотирьох варіантів проходив через пристрій більше 2 000 разів, що збільшувало статистичну вірогідність точного зчитування з урахуванням елементарної конструкції експериментальної нанопори.
Пристрій секвенований найпростіший гепарансульфат в реальному часі і створювало візерунок, який вчені легко розпізнають одразу для кожного з чотирьох зразків. Відразу видно, що вони різні.
Щоб забезпечити об'єктивний аналіз, командазавантажила результати в безкоштовне програмне забезпечення для машинного навчання і розпізнавання зображень. Вони використовували глибоку нейронну мережу Google, навчаючи програмне забезпечення розрізняти чотири різних паттерна і ідентифікувати кожен варіант гепарансульфату. Найбільш успішна модель дала аналіз з точністю майже 97%.
Інформаційний зміст послідовності GAGможе значно перевершувати таку ж кількість ДНК або РНК. Це означає, що здатність швидко їх зчитувати відкриває нове вікно розуміння складної біохімії життя. Доказ концепції дослідження пов'язує інноваційні методи нанообнаруженія з сучасними інструментами машинного навчання.
Зменшення швидкості, з якою глікозаміногліканипроходять через нанопори, підвищить точність, і пристрій можна навчити на більш складних послідовності. Однак вчені вже скоротили необхідне для секвенування ключових молекул GAG час з декількох років до хвилин.
Читати далі
Фізики створили аналог чорної діри і підтвердили теорію Хокінга. До чого це призведе?
Алгоритм виявив новий таємничий шар всередині Землі
Через Сонця атмосфера Землі втратить весь вільний кисень
Глікозаміноглікани, мукополісахариди.вуглеводна частина протеогліканів, полісахариди, до складу яких входять аміносахара-гексозаміни. В організмі глікозаміноглікани ковалентно пов'язані з білковою частиною протеогліканів і у вільному вигляді не зустрічаються.
ЯМР-спектроскопія - спектроскопічний методдослідження хімічних об'єктів, що використовує явище ядерного магнітного резонансу. Явище ЯМР відкрили в 1946 році американські фізики Ф. Блох і Е.Персел.
Рідинна хроматографія і тандемной мас-спектрометрії - широко поширений метод хімічного аналізу поєднує в собі фізичний поділ рідинної хроматографії з мас-спектрометрією.