Машинное обучение открывает путь к созданию нанокластеров серебра, стабилизированных ДНК
ДНК может не только передавать генетический код. Уже почти 20 лет известно, что эта молекула способна стабилизировать наноразмерные кластеры атомов серебра. Некоторые из таких структур светятся в красном и зеленом диапазоне, что делает их полезными для химических и биосенсорных применений.
Стейси Копп, доцент материаловедения в Калифорнийском университете в Ирвайне, хотела расширить возможности этих флуоресцентных маркеров в ближний инфракрасный диапазон. Это позволило бы исследователям «видеть» сквозь живые клетки и даже сантиметры биологических тканей, открывая новые возможности для диагностики и лечения заболеваний.
«Существует неиспользованный потенциал для расширения флуоресценции нанокластеров серебра, стабилизированных ДНК, в ближний инфракрасный диапазон. Это интересно, потому что наши биологические ткани и жидкости гораздо более прозрачны для ближнего инфракрасного света, чем для видимого».
По словам Копп, использование нетоксичных флуорофоров, излучающих в ближнем ИК-диапазоне, — одна из ключевых задач. Серебро, известное своими антимикробными свойствами с древних времен, обладает низкой цитотоксичностью в таких структурах, а ДНК биосовместима, что делает эти соединения потенциально безопасными для клинического применения.
Проблема и подход
Количество возможных последовательностей ДНК огромно, и лишь малая их часть обладает нужными флуоресцентными свойствами. Ранее команда Копп создала инструмент для быстрого сканирования сотен нанокластеров серебра на предмет излучения в ближнем ИК-диапазоне.
В своей лаборатории Копп и её первый аспирант Питер Мастракко начали проект по использованию машинного обучения. Цель — проанализировать массивы экспериментальных данных (так называемый «геном нанокластеров») и предсказать новые последовательности ДНК, способные создавать нанокластеры с излучением в нужном диапазоне.
Ключевое открытие
Мастракко обнаружил статью с рентгеновской кристаллической структурой нанокластера серебра, стабилизированного ДНК.
«Это буквально дало нам картину того, где находятся все атомы серебра и как ДНК складывается вокруг нанокластера. Он заметил то, чего не заметила я: ДНК складывалась вокруг нанокластера особым образом».
Исследователи предположили, что если закодировать информацию об этой особенности сворачивания в модели машинного обучения, можно будет предсказывать цвет флуоресценции нанокластеров.
Роль наставничества
Летом 2020 года Мастракко стал наставником для Джоша Эванса, студента общественного колледжа. Эванс предложил креативный способ интерпретации результатов моделей, используя «инструмент выбора признаков», который позволил определить, какая часть последовательности ДНК коррелирует с разными цветами флуоресценции.
Этот прорыв стал важным вкладом в статью с Мастракко в качестве ведущего автора, опубликованную в журнале ACS Nano.
Продолжение работы
Исследования в группе Копп продолжаются. Недавно была опубликована вторая статья по теме в Journal of the American Chemical Society под руководством аспирантки Анны Гонсалес Росель.
«Эта работа представляет собой ключевой шаг в создании по-настоящему биосовместимых нанокластеров для ближней ИК-визуализации. Наставничество над студентами сыграло жизненно важную роль в проектах. Это отличное сочетание для получения научных результатов и помощи молодым учёным в достижении их целей».