洛桑聯邦理工學院開發跟蹤生物分子的AI納米傳感器

洛桑聯邦理工學院的科學家開發出了一種AI驅動的納米傳感器，該技術使研究人員能夠在不干擾生物分子的情況下通過人工智能跟蹤各種生物分子。該研究成果發表在《高級材料》上。

微小的生物分子世界充滿了眾多不同媒介及其迷人的相互作用，如復雜納米機器的蛋白質、變形容器的脂質復合物、DNA的生命信息鏈、碳水化合物的能源燃料等。然而，生物分子相遇并相互作用以定義生命交響曲的方式極其復雜。

在這種納米級的交響曲中，完美的編排使生理上的奇觀，例如視覺和味覺成為可能，而輕微的不和諧會放大成可怕的刺耳，甚至導致諸如癌癥和神經退行性病變的病態。

生物納米光子系統實驗室負責人、海蒂絲·阿圖格(Hatice Altug)表示：“進入這個微小的世界，能夠在不干擾蛋白質、脂質、核酸和碳水化合物的相互作用的情況下進行區分，對于理解生命過程和疾病機制至關重要。”

光，更具體地說是紅外光，是該研究團隊開發的生物傳感器的核心。人類看不到紅外光，紅外光超出了從藍色到紅色的可見光譜范圍。但是，當分子在紅外光激發下振動時，會以熱的形式感覺到它。

分子由彼此鍵合的原子組成，并且取決于原子的質量及其鍵的排列和剛度，它們以特定的頻率振動。這就如樂器上的弦，根據其長度以特定的頻率振動。這些共振頻率是特定于分子的，并且它們大多出現在電磁頻譜的紅外頻率范圍內。

超表面和人工智能

科學家使用超表面和人工智能。超表面是人造材料，具有出色的納米級光處理能力，從而使功能超出了自然界所能看到的范圍。在這里，它們由金納米棒制成的經過精心設計的亞原子，通過利用金屬中自由電子的集體振蕩所產生的等離子體激元激發，像光物質相互作用的放大器一樣起作用。

通過AI這一功能強大的工具，可以在相同的時間內提供比人類能夠處理更多的數據，并且可以快速發展從數據中識別復雜模式的能力。研究人員解釋說：“人工智能可以想象成一個完整的初學者，他會聆聽各種放大的旋律，并在短短幾分鐘后發展出完美的耳朵，即使如在管弦樂隊中一起演奏，也能分辨出旋律機許多樂器。”

同類中的第一個生物傳感器

當用AI增強科學家的紅外超穎表面時，這種新型傳感器可用于同時分析主要生物分子類別中具有多種分析物的生物學分析，并解決它們的動態相互作用。

阿圖格說，“我們特別研究了基于脂質囊泡的納米顆粒，并通過插入毒素肽，隨后釋放核苷酸和碳水化合物的囊泡貨物，以及在表面上形成支持的脂質雙層膜的形成，來監測其破損情況。”

這款具有開創性的AI驅動的基于超表面的生物傳感器，將為研究和闡明固有的復雜生物過程，例如通過外泌體的細胞間通訊以及核酸和碳水化合物與蛋白質在基因調控和神經變性中的相互作用，開辟令人激動的前景。

阿圖格表示，“我們認為我們的技術將在生物學、生物分析和藥理學領域中，從基礎研究和疾病診斷到藥物開發得到應用。”