洛桑联邦理工学院开发跟踪生物分子的AI纳米传感器

洛桑联邦理工学院的科学家开发出了一种AI驱动的纳米传感器，该技术使研究人员能够在不干扰生物分子的情况下通过人工智能跟踪各种生物分子。该研究成果发表在《高级材料》上。

微小的生物分子世界充满了众多不同媒介及其迷人的相互作用，如复杂纳米机器的蛋白质、变形容器的脂质复合物、DNA的生命信息链、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义生命交响曲的方式极其复杂。

在这种纳米级的交响曲中，完美的编排使生理上的奇观，例如视觉和味觉成为可能，而轻微的不和谐会放大成可怕的刺耳，甚至导致诸如癌症和神经退行性病变的病态。

生物纳米光子系统实验室负责人、海蒂丝·阿图格(Hatice Altug)表示：“进入这个微小的世界，能够在不干扰蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物的相互作用的情况下进行区分，对于理解生命过程和疾病机制至关重要。”

光，更具体地说是红外光，是该研究团队开发的生物传感器的核心。人类看不到红外光，红外光超出了从蓝色到红色的可见光谱范围。但是，当分子在红外光激发下振动时，会以热的形式感觉到它。

分子由彼此键合的原子组成，并且取决于原子的质量及其键的排列和刚度，它们以特定的频率振动。这就如乐器上的弦，根据其长度以特定的频率振动。这些共振频率是特定于分子的，并且它们大多出现在电磁频谱的红外频率范围内。

超表面和人工智能

科学家使用超表面和人工智能。超表面是人造材料，具有出色的纳米级光处理能力，从而使功能超出了自然界所能看到的范围。在这里，它们由金纳米棒制成的经过精心设计的亚原子，通过利用金属中自由电子的集体振荡所产生的等离子体激元激发，像光物质相互作用的放大器一样起作用。

通过AI这一功能强大的工具，可以在相同的时间内提供比人类能够处理更多的数据，并且可以快速发展从数据中识别复杂模式的能力。研究人员解释说：“人工智能可以想象成一个完整的初学者，他会聆听各种放大的旋律，并在短短几分钟后发展出完美的耳朵，即使如在管弦乐队中一起演奏，也能分辨出旋律机许多乐器。”

同类中的第一个生物传感器

当用AI增强科学家的红外超颖表面时，这种新型传感器可用于同时分析主要生物分子类别中具有多种分析物的生物学分析，并解决它们的动态相互作用。

阿图格说，“我们特别研究了基于脂质囊泡的纳米颗粒，并通过插入毒素肽，随后释放核苷酸和碳水化合物的囊泡货物，以及在表面上形成支持的脂质双层膜的形成，来监测其破损情况。”

这款具有开创性的AI驱动的基于超表面的生物传感器，将为研究和阐明固有的复杂生物过程，例如通过外泌体的细胞间通讯以及核酸和碳水化合物与蛋白质在基因调控和神经变性中的相互作用，开辟令人激动的前景。

阿图格表示，“我们认为我们的技术将在生物学、生物分析和药理学领域中，从基础研究和疾病诊断到药物开发得到应用。”