¿Cómo se llama un descubrimiento de la ciencia de los materiales que recibió un gran impulso gracias a una conferencia de un premio Nobel de química? microscopía electrónica criogénica usada (cryo-EM), y fue impulsado por la tesis de un estudiante de doctorado sobre aprendizaje automático?

Investigación típica de Cornell.

En un artículo publicado en Naturaleza , un equipo dirigido por Uli Wiesner, el Profesor Spencer T.Olin de Ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Cornell, informa el descubrimiento de 10 nanómetros, individual, Estructuras dodecaédricas autoensambladas:jaulas de sílice de 12 lados que podrían tener aplicaciones en el ensamblaje de materiales de mesoescala, así como diagnóstico médico y terapéutico.

El papel del equipo, "Jaulas inorgánicas ultrapequeñas altamente simétricas dirigidas por el autoensamblaje de micelas tensioactivas, "fue publicado el 20 de junio.

Otros miembros del equipo incluyen a los investigadores postdoctorales Kai Ma y Tangi Aubert del Grupo Wiesner; Peter Doerschuk, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y de la Escuela Meinig de Ingeniería Biomédica; y el estudiante de doctorado Yunye Gong del Grupo Doerschuk.

Técnicas de la tesis doctoral de Gong, "Computación y comprensión de modelos estadísticos para nano-máquinas biológicas heterogéneas, "se utilizaron para determinar la forma tridimensional de las estructuras de la jaula.

"La gente había sugerido que estas nanoestructuras muy complejas serían unidades estructurales de materiales a granel, "Wiesner dijo, "pero nadie había identificado estas jaulas como bloques de construcción aislados".

La forma de lograrlo, Wiesner dijo:detenga la reacción química que produce estas formas desde el principio para ver la estructura en su inicio. "De hecho, esto fue parte de un esfuerzo continuo de optimización de la química de la sílice en nuestro grupo, "Dijo mamá.

Para imaginarlos, las partículas en el agua se congelaron rápidamente a temperaturas criogénicas, tan rápido que en lugar de hielo, el agua se vuelve un sólido vidrioso. Dentro de las delgadas películas vítreas, las jaulas se pudieron obtener en todas las diferentes orientaciones mediante crio-EM. Aproximadamente 19, Ma y otros miembros del Grupo Wiesner recopilaron 000 imágenes de una sola partícula en un gran esfuerzo.

Algoritmos de aprendizaje automático de Gong, desarrollado originalmente para el estudio de jaulas de proteínas de virus, se aplicaron a subconjuntos de estas imágenes, clasificándolos en clases y calculando una reconstrucción 3-D para cada clase. Un cálculo basado en 2, 000 imágenes toma alrededor de un día.

Al igual que una tomografía computarizada de un hospital, las reconstrucciones tridimensionales de una sola partícula revelaron la forma externa y la estructura interna de la partícula.

"Estuvimos encantados de tener la oportunidad de colaborar con el Grupo Wiesner en este problema, "Gong dijo, "y demostrar la amplitud de lo que pueden hacer nuestros algoritmos y software".

El grupo dice que esta podría ser la primera vez que la reconstrucción tridimensional de una sola partícula de imágenes crio-EM utilizando inteligencia artificial, una técnica de rápido desarrollo en biología estructural, se ha aplicado con éxito al descubrimiento de materiales sintéticos.

"Cuando planteé por primera vez la idea de confirmar la estructura de la jaula mediante esta técnica, la mayoría de la gente no creía que esto fuera posible debido a la complejidad del material, "Dijo mamá.

"Que esto reveló una hermosa jaula tipo dodecaedro, el más simétrico de los cinco sólidos platónicos ya estudiados en la antigüedad, fue inmensamente gratificante, "Dijo Wiesner.

Entonces, ¿dónde encaja el premio Nobel? Hace varios años Wiesner asistió a una conferencia de Roald Hoffmann, el Frank H.T. Profesor emérito de Rhodes en el Departamento de Química y Biología Química. Uno de los temas de la conferencia fueron las denominadas estructuras de jaulas de clatrato. Un clatrato es un compuesto en el que una molécula huésped queda atrapada dentro de la jaula de cristal de otra.

Eso hizo que Wiesner pensara en el trabajo que su laboratorio había estado haciendo en estructuras a nanoescala, que había aparecido como simples anillos en el examen preliminar. "Después de la conferencia, Literalmente corrí hacia Duffield Hall para decirle a Kai Ma que pensaba que las estructuras de orden superior que a veces veía probablemente serían estructuras de tipo clatrato. "Dijo Wiesner." Kai hizo más trabajo de microscopía y dijo:'Uli, Creo que tienes razón.'"

Esa conexión fortuita y la improbable colaboración que implica el aprendizaje automático con Doerschuk y Gong, es normal para el curso en Cornell, Dijo Wiesner.

"Es una historia típica de Cornell, ", dijo." Conoces a estas personas de diferentes departamentos, y todo contribuye a un gran descubrimiento científico de una hermosa estructura que nunca antes se había visto ".

Doerschuk coincidió:"Vine a Cornell en 2006. Uno de los principales atractivos fue la afirmación de que las barreras entre departamentos son bajas y que se fomenta el trabajo interdisciplinario. Habiendo trabajado en Cornell durante una década, Me complace informar que la afirmación es cierta ".

En el papel, Wiesner sostiene que "en base a los éxitos recientes ... de nanopartículas de sílice fluorescentes ultrapequeñas [" puntos de Cornell "] ... se puede prever toda una gama de sondas diagnósticas y terapéuticas novedosas con fármacos ocultos dentro de las jaulas".