EPFL-forskare har utvecklat AI-drivna nanosensorer som låter forskare spåra olika typer av biologiska molekyler utan att störa dem.

Den lilla världen av biomolekyler är rik på fascinerande interaktioner mellan en uppsjö av olika medel, såsom intrikata nanomaskiner (proteiner), formskiftande kärl (lipidkomplex), kedjor av vital information (DNA) och energibränsle (kolhydrater). Ändå är sätten på vilka biomolekyler möts och interagerar för att definiera livets symfoni ytterst komplexa.

Forskare vid Bionanophotonic Systems Laboratory vid EPFLs School of Engineering har nu utvecklat en ny biosensor som kan användas för att observera alla större biomolekylklasser i nanovärlden utan att störa dem. Deras innovativa teknik använder nanoteknik, metasytor, infrarött ljus och artificiell intelligens. Teamets forskning har precis publicerats i Avancerade material .

Till varje molekyl sin egen melodi

I denna symfoni i nanostorlek, perfekt orkestrering gör fysiologiska underverk som syn och smak möjliga, medan små dissonanser kan förstärkas till fasansfulla kakofonier som leder till patologier som cancer och neurodegeneration.

"Att ställa in den här lilla världen och kunna skilja mellan proteiner, lipider, nukleinsyror och kolhydrater utan att störa deras interaktioner är av grundläggande betydelse för att förstå livsprocesser och sjukdomsmekanismer, " säger Hatice Altug, chef för Bionanophotonic Systems Laboratory.

Ljus, och mer specifikt infrarött ljus, är kärnan i biosensorn som utvecklats av Altugs team. Människor kan inte se infrarött ljus, som ligger bortom det synliga ljusspektrumet som sträcker sig från blått till rött. Dock, vi kan känna det i form av värme i våra kroppar, när våra molekyler vibrerar under det infraröda ljusets excitation.

Molekyler består av atomer bundna till varandra och – beroende på atomernas massa och deras bindningars arrangemang och styvhet – vibrerar vid specifika frekvenser. Detta liknar strängarna på ett musikinstrument som vibrerar vid specifika frekvenser beroende på deras längd. Dessa resonansfrekvenser är molekylspecifika, och de förekommer oftast i det infraröda frekvensområdet för det elektromagnetiska spektrumet.

"Om du föreställer dig ljudfrekvenser istället för infraröda frekvenser, det är som om varje molekyl har sin egen karaktäristiska melodi, " säger Aurélian John-Herpin, en doktorsassistent vid Altugs labb och den första författaren till publikationen. "Dock, att ställa in dessa melodier är mycket utmanande eftersom utan förstärkning, de är bara viskningar i ett hav av ljud. För att göra saken värre, deras melodier kan presentera väldigt liknande motiv vilket gör det svårt att skilja dem åt."

Metasytor och artificiell intelligens

Forskarna löste dessa två problem med hjälp av metasytor och AI. Metasytor är konstgjorda material med enastående ljusmanipuleringsförmåga i nanoskala, därigenom möjliggöra funktioner utöver vad som annars kan ses i naturen. Här, deras exakt konstruerade meta-atomer gjorda av guld nanorods fungerar som förstärkare av ljus-materia interaktioner genom att knacka på de plasmoniska excitationer som är ett resultat av de kollektiva svängningarna av fria elektroner i metaller. "I vår analogi, dessa förbättrade interaktioner gör de viskade molekylmelodierna mer hörbara, säger John-Herpin.

AI är ett kraftfullt verktyg som kan matas med mer data än vad människor kan hantera på samma tid och som snabbt kan utveckla förmågan att känna igen komplexa mönster från datan. John-Herpin förklarar, "AI kan föreställas som en helt nybörjarmusiker som lyssnar på de olika förstärkta melodierna och utvecklar ett perfekt öra efter bara några minuter och kan skilja melodierna åt, även när de spelas tillsammans - som i en orkester med många instrument samtidigt."

Den första biosensorn i sitt slag

När forskarnas infraröda metasytor utökas med AI, den nya sensorn kan användas för att analysera biologiska analyser med flera analyter samtidigt från de stora biomolekylklasserna och lösa deras dynamiska interaktioner.

"Vi tittade särskilt på lipidvesikelbaserade nanopartiklar och övervakade deras brott genom införandet av en toxinpeptid och den efterföljande frisättningen av vesikellaster av nukleotider och kolhydrater, såväl som bildandet av understödda lipid-dubbelskiktsfläckar på metaytan, säger Altug.

Denna banbrytande AI-drivna, metasytebaserad biosensor kommer att öppna spännande perspektiv för att studera och reda ut i sig komplexa biologiska processer, som intercellulär kommunikation via exosomer och interaktionen av nukleinsyror och kolhydrater med proteiner vid genreglering och neurodegeneration.

"Vi föreställer oss att vår teknik kommer att ha tillämpningar inom biologi, bioanalytik och farmakologi – från grundforskning och sjukdomsdiagnostik till läkemedelsutveckling, säger Altug.