Secvențierea moleculelor cheie într-un minut în loc de ani

Nanopore și software-ul de recunoaștere a imaginii pot da glicozaminoglican sulfat în timp real. Credit: Institutul Politehnic Rensselaer

Cercetările arată potențialul de secvențiere rapidă și precisă a glicanului.

Folosind un nanopor, cercetătorii au arătat potențialul de a reduce timpul necesar pentru secvențierea glicozaminoglicanului – o clasă de molecule de zahăr legate cu lanțuri la fel de importante pentru biologia noastră ca ADN – de la ani la minute.

După cum a fost anunțat săptămâna aceasta în Lucrările Academiilor Naționale de Științe, o echipă de la Institutul Politehnic Rensselaer a arătat că software-ul de învățare automată și de recunoaștere a imaginilor ar putea fi folosit pentru a identifica rapid și cu precizie lanțurile de zahăr – în special patru sulfati de heparan sintetici – pe baza semnalelor electrice generate în timp ce trec printr-o mică gaură dintr-un cristal. napolitane.

„Glicozaminoglicanii sunt un repertoriu complex de secvențe, întrucât opera lui Shakespeare sau o poezie de Yates este o colecție complexă de scrisori. Este nevoie de un expert pentru a le scrie și de un expert pentru a le citi ”, a declarat Robert Linhardt, cercetător principal și profesor de chimie și biologie chimică la Institutul Politehnic Rensselaer. „Am instruit o mașină pentru a citi rapid echivalentele de cuvinte cu patru litere, cum ar fi„ ababab ”sau„ bcbcbc ”. Acestea sunt secvențe simple care nu au nicio semnificație, dar ne arată că mașina poate fi învățată să citească. Dacă extindem și dezvoltăm această tehnologie, aceasta are potențialul de a organiza glicanii sau chiar proteinele în timp real, eliminând ani de efort. “

Dispozitivele comerciale de secvențiere a nanoporilor sunt utilizate pentru secvențierea ADN-ului, format din patru nuclee acid unități, cunoscute prin literele A, C, G și T, s-au combinat într-o varietate nesfârșită de configurații. Dispozitivul se bazează pe curenți ionici care trec printr-o gaură de doar câteva milioane de metri lățime într-o membrană. Șuvițe de ADN sunt plasate pe o parte a găurii și sunt trase cu fluxul de curent. Fiecare acid nucleic blochează ușor gaura în timp ce trece prin ea, perturbând curentul și producând un semnal specific asociat cu acel acid nucleic. Dispozitivele, utilizate în prezent pentru munca pe teren, sunt doar una dintre mai multe tehnici relativ rapide și automatizate de secvențiere a ADN-ului.

Glicozaminoglicanii sau GAG-urile sunt o clasă structurală complexă de glicani – zaharurile esențiale prezente în organismele vii – care se găsesc pe suprafețele celulare și matricea extracelulară a tuturor animalelor și îndeplinesc numeroase funcții în creșterea și semnalizarea celulelor, anticoagulare și repararea plăgilor și menținerea aderenței celule. GAG-urile, care sunt în prezent extrase din animale sacrificate, sunt utilizate ca medicamente și nutraceutice.

La fel ca ADN-ul, GAG-urile pot fi împărțite în unitățile lor de zahăr dizaharidic constitutive. Dar, deși ADN-ul este format din doar patru litere într-un fir liniar, acești glicani au zeci de unități bazice, unele cu grupări sulfat atașate, grupări acide și grupări amide. De exemplu, chiar și o moleculă relativ mică de sulfat de heparan cu șase unități de zahăr ar putea avea 32 768 de secvențe posibile. Datorită provocării, secvențierea glicanului rămâne oneroasă, bazându-se pe lucrări detaliate de laborator și pe analize sofisticate, inclusiv tehnici cu nume precum cromatografie lichidă-spectrometrie de masă tandem și spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară.

Ca parte a muncii sale, Linhardt, un specialist în glican care a dezvoltat o variantă sintetică a heparinei subțiri comune de sânge, secvențează GAG-uri pentru a înțelege formele naturale și a dezvolta variante sintetice.

„Folosind metode analitice standard, ne-a trebuit doi ani pentru a rezolva primul GAG simplu”, a spus Linhardt, membru al Centrului Rensselaer pentru Biotehnologie și Studii Interdisciplinare. “Mai avem un altul pe care l-am dezvoltat cea mai mare parte a secvenței și ne-a luat cinci ani și mai mult – și probabil ne va lua încă cinci ani să terminăm”,

Motivând faptul că o secvență de nanopori ar putea fi utilizată pentru a identifica unitățile de dizaharide dintr-un GAG, echipa de cercetare și-a construit propriul dispozitiv nanopor și a sintetizat patru lanțuri GAG de sulfat de heparan folosind procesul chemoenzimatic dezvoltat de Linhardt Lab. Foarte important, acești patru sulfati de heparan au fost foarte simpli – realizați cu combinații de doar patru tipuri diferite de unități de zahăr, asamblate într-un lanț de aproximativ 40 de unități în lungime și cu o compoziție și o secvență atent controlate.

Echipa a trecut toți sulfații de heparan prin nanopore și a produs un grafic care ilustrează tensiunea peste timpul de ieșire al dispozitivului. Toate cele patru variante au fost direcționate prin dispozitiv de peste 2.000 de ori, crescând probabilitatea statistică a citirii exacte, având în vedere designul elementar al nanoporului experimental.

„Dispozitivul a urmărit cel mai simplu sulfat de heparan în timp real și a produs un model pe care ochii noștri l-ar putea recunoaște cu ușurință imediat pentru toate cele patru probe”, a spus Linhardt. „Puteți spune imediat că sunt diferiți”.

Pentru a asigura o analiză imparțială, echipa a introdus rezultatele în software-ul gratuit de învățare automată și de recunoaștere a imaginilor folosind rețeaua neuronală profundă Google, instruind software-ul pentru a distinge cele patru tipare diferite și a identifica toate variațiile sulfatului de heparan. Cel mai de succes model de învățare automată a produs o analiză cu o precizie de aproape 97%.

„Conținutul informațional dintr-o secvență GAG poate depăși cu mult o cantitate similară de ADN sau ARNceea ce înseamnă că abilitatea de a citi secvențe GAG ​​deschide rapid o nouă fereastră de înțelegere în biochimia complexă a vieții ”, a declarat Curt Breneman, decanul Școlii de Științe Rensselaer. „Acest studiu de dovadă a conceptului conectează metode inovatoare de nanodetecție cu instrumente de învățare automată de ultimă generație și demonstrează puterea gândirii interdisciplinare pentru a extinde limitele cunoștințelor.”

Reducerea vitezei cu care GAG-urile trec prin nanopore poate crește corectitudine, iar dispozitivul poate fi instruit pe unități de zahăr suplimentare și pe secvențe mai complexe, toate acestea fiind obiective de cercetare viitoare. Linhardt a spus că mașina va trebui să învețe undeva între 10 și 20 de unități de zahăr pentru a comanda complet GAG.

„Aceasta este o dovadă a conceptului; l-am făcut să citească cuvintele a două litere ”, a spus Linhardt. „Odată ce i-am învățat alfabetul complet, ea va putea citi toate diferitele secvențe. El va putea citi toate cuvintele. ”

Referință: „Standardele sintetice de heparan sulfat și învățarea automată facilitează dezvoltarea analizei nanoporei în stare solidă” Lucrările Academiei Naționale de Științe.

Acest studiu a fost publicat cu sprijinul National Science Foundation și National Institutes of Health. La Rensselaer, Ke Xia, James T. Hagan, Li Fu, Brian S. Sheetz, Somdatta Bhattacharya, Fuming Zhang și Jason R. Dwyer s-au alăturat lui Linhardt în cercetare.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.