Нанопоры и глубокое обучение в диагностике болезней

Ученые EPFL представили метод, использующий биологические нанопоры и глубокое обучение для обнаружения модификаций белков, открывающий новые возможности в диагностике заболеваний.

Белки, "рабочие лошадки" клетки, претерпевают различные модификации после их синтеза. Эти посттрансляционные модификации (ПТМ) могут кардинально влиять на функции белка в клетке и играют ключевую роль во многих биологических процессах.

ПТМ также служат биомаркерами для ряда заболеваний, что делает их точное обнаружение и анализ критически важным для предотвращения ошибочных диагнозов. Однако традиционные методы ограничены по чувствительности и специфичности, особенно при работе с низкими концентрациями белков и сложными паттернами ПТМ.

Ученые EPFL разработали новый метод, сочетающий чувствительность биологических нанопор с точностью глубокого обучения. Этот инновационный подход может изменить способы обнаружения и анализа ПТМ.

Исследование проводилось группами под руководством Маттео Даль Пераро, Чань Цао и Хилаля Лашуэля в Школе наук о жизни EPFL и опубликовано в ACS Nano.

Метод основан на использовании биологической нанопоры, в частности порообразующего токсина аэролизина, для обнаружения и различения пептидов (строительных блоков белков) с разными ПТМ. Группа Даль Пераро ранее работала с нанопорами на основе аэролизина для создания высокочувствительных сенсоров сложных молекул. Эта технология достаточно чувствительна, чтобы обнаруживать пептиды при пикомолярных концентрациях, что является значительным улучшением по сравнению с существующими методами.

Как это работает? Когда пептиды проходят через нанопору, они вызывают характерные изменения в потоке ионов через нее — так называемый ионный ток. Каждый тип ПТМ уникальным образом изменяет структуру пептида, что приводит к особым сигнатурам тока. Записывая эти изменения, метод может идентифицировать и различать различные ПТМ на пептидах.

Особенность подхода в том, что для анализа сложных данных и точной классификации пептидов на основе их паттернов ПТМ используются алгоритмы глубокого обучения. Модель может уверенно идентифицировать характерные сигнатуры тока пептидов и их ПТМ-вариантов, обеспечивая быстрый, автоматический и высокоточный способ их классификации.

Для проверки метода исследователи обратились к экспертизе лаборатории Лашуэля, которая специализируется на изучении роли ПТМ при нейродегенеративных заболеваниях. "Мы продемонстрировали, что можем использовать чувствительность нашей нанопоры для обнаружения и различения различных ПТМ-форм альфа-синуклеина — одного из самых востребованных биомаркеров и мишеней для разработки терапий болезни Паркинсона", — говорит ведущий автор исследования Чань Цао.

Ученые успешно показали, что метод нанопор может обнаруживать и различать белки альфа-синуклеина с одиночными или множественными ПТМ, такими как фосфорилирование, нитрование и окисление. "Эта способность идентифицировать несколько модификаций одновременно меняет правила игры, — говорит Лашуэль. — Она позволяет более точно картировать ПТМ-код белков на уровне отдельных молекул и может помочь раскрыть новые данные о сложном взаимодействии и динамике ПТМ в болезненных процессах и их потенциале в качестве биомаркеров заболеваний".

Сочетание нанопорового зондирования и продвинутого анализа данных открывает новые возможности для понимания модификаций белков с ранее недоступной детализацией. Технология может использоваться не только для обнаружения ПТМ, но и в поиске биомаркеров и диагностике.

"Мы впервые доказали на принципиальном уровне, что этот подход можно использовать для обнаружения этих биомаркеров в имитации клинического образца, что закладывает основу для разработки инструментов одномолекулярной диагностики болезни Паркинсона", — говорит Даль Пераро. Команда предполагает, что метод может быть разработан в портативное диагностическое устройство, предлагающее быстрое, экономичное и высокочувствительное средство для медицинского и коммерческого использования.