EPFL-wetenschappers hebben AI-aangedreven nanosensoren ontwikkeld waarmee onderzoekers verschillende soorten biologische moleculen kunnen volgen zonder ze te storen.

De kleine wereld van biomoleculen is rijk aan fascinerende interacties tussen een overvloed aan verschillende middelen, zoals ingewikkelde nanomachines (eiwitten), vormveranderende vaten (lipidecomplexen), ketens van vitale informatie (DNA) en energiebrandstof (koolhydraten). Maar de manieren waarop biomoleculen elkaar ontmoeten en op elkaar inwerken om de symfonie van het leven te definiëren, zijn buitengewoon complex.

Wetenschappers van het Bionanophotonic Systems Laboratory in EPFL's School of Engineering hebben nu een nieuwe biosensor ontwikkeld die kan worden gebruikt om alle belangrijke biomolecuulklassen van de nanowereld te observeren zonder ze te storen. Hun innovatieve techniek maakt gebruik van nanotechnologie, meta-oppervlakken, infrarood licht en kunstmatige intelligentie. Het onderzoek van het team is zojuist gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Voor elk molecuul zijn eigen melodie

In deze symfonie van nanoformaat, perfecte orkestratie maakt fysiologische wonderen zoals zicht en smaak mogelijk, terwijl lichte dissonanties kunnen versterken tot afschuwelijke kakofonieën die leiden tot pathologieën zoals kanker en neurodegeneratie.

"Afstemmen op deze kleine wereld en in staat zijn om onderscheid te maken tussen eiwitten, lipiden, nucleïnezuren en koolhydraten zonder hun interacties te verstoren is van fundamenteel belang voor het begrijpen van levensprocessen en ziektemechanismen, " zegt Hatice Altug, het hoofd van het Bionanophotonic Systems Laboratory.

Licht, en meer specifiek infrarood licht, vormt de kern van de biosensor die is ontwikkeld door het team van Altug. Mensen kunnen geen infrarood licht zien, die buiten het zichtbare lichtspectrum ligt dat varieert van blauw tot rood. Echter, we kunnen het in de vorm van warmte in ons lichaam voelen, terwijl onze moleculen trillen onder de infrarode lichtexcitatie.

Moleculen bestaan ​​uit atomen die aan elkaar zijn gebonden en - afhankelijk van de massa van de atomen en de rangschikking en stijfheid van hun bindingen - trillen bij specifieke frequenties. Dit is vergelijkbaar met de snaren van een muziekinstrument die op specifieke frequenties trillen, afhankelijk van hun lengte. Deze resonantiefrequenties zijn molecuulspecifiek, en ze komen meestal voor in het infrarode frequentiebereik van het elektromagnetische spectrum.

"Als je je audiofrequenties voorstelt in plaats van infraroodfrequenties, het is alsof elk molecuul zijn eigen karakteristieke melodie heeft, " zegt Aurélian John-Herpin, een doctoraatsassistent in het laboratorium van Altug en de eerste auteur van de publicatie. "Echter, afstemmen op deze melodieën is een hele uitdaging omdat zonder versterking, het zijn slechts gefluister in een zee van geluiden. Om het erger te maken, hun melodieën kunnen zeer vergelijkbare motieven vertonen, waardoor het moeilijk is om ze uit elkaar te houden."

Meta-oppervlakken en kunstmatige intelligentie

De wetenschappers hebben deze twee problemen opgelost met behulp van metasurfaces en AI. Metasurfaces zijn door de mens gemaakte materialen met uitstekende lichtmanipulatiemogelijkheden op nanoschaal, waardoor functies mogelijk zijn die verder gaan dan wat anders in de natuur wordt gezien. Hier, hun nauwkeurig geconstrueerde meta-atomen gemaakt van gouden nanostaafjes werken als versterkers van licht-materie-interacties door gebruik te maken van de plasmonische excitaties die het gevolg zijn van de collectieve oscillaties van vrije elektronen in metalen. "In onze analogie, deze verbeterde interacties maken de gefluisterde molecuulmelodieën beter hoorbaar, ", zegt John-Herpin.

AI is een krachtig hulpmiddel dat kan worden gevoed met meer gegevens dan mensen in dezelfde hoeveelheid tijd aankunnen en dat snel het vermogen kan ontwikkelen om complexe patronen uit de gegevens te herkennen. John-Herpin legt uit, "AI kan worden voorgesteld als een complete beginnende muzikant die naar de verschillende versterkte melodieën luistert en al na een paar minuten een perfect oor ontwikkelt en de melodieën uit elkaar kan houden, zelfs als ze samen worden gespeeld, zoals in een orkest met veel instrumenten tegelijk."

De eerste biosensor in zijn soort

Wanneer de infraroodmeta-oppervlakken van de wetenschappers worden uitgebreid met AI, de nieuwe sensor kan worden gebruikt om biologische analyses te analyseren met meerdere analyten tegelijk uit de belangrijkste biomolecuulklassen en om hun dynamische interacties op te lossen.

"We hebben in het bijzonder gekeken naar op lipide vesicle gebaseerde nanodeeltjes en hun breuk gevolgd door het inbrengen van een toxine-peptide en de daaropvolgende afgifte van vesikelladingen van nucleotiden en koolhydraten, evenals de vorming van ondersteunde lipide dubbellaagse patches op het meta-oppervlak, ' zegt Altug.

Deze baanbrekende AI-aangedreven, metasurface-gebaseerde biosensor zal spannende perspectieven openen voor het bestuderen en ontrafelen van inherent complexe biologische processen, zoals intercellulaire communicatie via exosomen en de interactie van nucleïnezuren en koolhydraten met eiwitten in genregulatie en neurodegeneratie.

"We stellen ons voor dat onze technologie toepassingen zal hebben op het gebied van biologie, bioanalyse en farmacologie - van fundamenteel onderzoek en ziektediagnostiek tot medicijnontwikkeling, ' zegt Altug.