Искусственный интеллект для исследования биомолекулярного мира

Учёные из EPFL создали наносенсоры на базе ИИ, которые позволяют исследователям отслеживать различные виды биологических молекул, не нарушая их работу.

Учёные из Лаборатории биофотонных наносистем EPFL разработали новый биосенсор, способный наблюдать за всеми основными классами биомолекул в наномире, не нарушая их. Их инновационная методика использует нанотехнологии, метаповерхности, инфракрасный свет и искусственный интеллект. Исследование опубликовано в Advanced Materials.

Метаповерхности и искусственный интеллект

В основе биосенсора лежит инфракрасный свет. Молекулы вибрируют на специфических частотах, характерных для каждого типа молекул, — подобно струнам музыкального инструмента. Эти резонансные частоты в основном находятся в инфракрасном диапазоне спектра.

Учёные решили две ключевые проблемы — слабый сигнал и сложность его распознавания — с помощью метаповерхностей и ИИ.

• Метаповерхности — искусственные материалы из золотых наностержней, которые усиливают взаимодействие света с веществом, выступая как «усилители» слабых молекулярных сигналов.
• Искусственный интеллект быстро обучается распознавать сложные паттерны в данных, что позволяет ему различать «мелодии» разных молекул, даже когда они звучат одновременно, как в оркестре.

Первый в своём роде биосенсор

Объединение инфракрасных метаповерхностей с ИИ позволяет новому сенсору анализировать биологические образцы с несколькими аналитами одновременно из основных классов биомолекул и разрешать их динамические взаимодействия.

В частности, учёные наблюдали за наночастицами на основе липидных везикул: отслеживали их разрушение под действием токсичного пептида, последующий выход нуклеотидов и углеводов, а также формирование поддерживаемых липидных бислойных мембран на метаповерхности.

Эта технология открывает новые возможности для изучения сложных биологических процессов, таких как межклеточная коммуникация через экзосомы, а также взаимодействие нуклеиновых кислот и углеводов с белками в регуляции генов и нейродегенерации. Она найдёт применение в биологии, биоаналитике и фармакологии — от фундаментальных исследований до диагностики заболеваний и разработки лекарств.