Los científicos de EPFL han desarrollado nanosensores impulsados ​​por IA que permiten a los investigadores rastrear varios tipos de moléculas biológicas sin perturbarlas.

El diminuto mundo de las biomoléculas es rico en interacciones fascinantes entre una plétora de diferentes agentes, como intrincadas nanomáquinas (proteínas), vasos que cambian de forma (complejos lipídicos), cadenas de información vital (ADN) y combustible energético (carbohidratos). Sin embargo, las formas en que las biomoléculas se encuentran e interactúan para definir la sinfonía de la vida son sumamente complejas.

Los científicos del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos de la Escuela de Ingeniería de EPFL han desarrollado un nuevo biosensor que se puede utilizar para observar todas las principales clases de biomoléculas del nanomundo sin perturbarlas. Su técnica innovadora utiliza nanotecnología, metasuperficies, luz infrarroja e inteligencia artificial. La investigación del equipo se acaba de publicar en Materiales avanzados .

A cada molécula su propia melodía

En esta sinfonía de tamaño nanométrico, la orquestación perfecta hace posibles maravillas fisiológicas como la visión y el gusto, mientras que leves disonancias pueden amplificarse en horrendas cacofonías que conducen a patologías como el cáncer y la neurodegeneración.

"Sintonizar con este pequeño mundo y poder diferenciar entre proteínas, lípidos Los ácidos nucleicos y los carbohidratos sin alterar sus interacciones es de fundamental importancia para comprender los procesos de la vida y los mecanismos de las enfermedades. "dice Hatice Altug, el jefe del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.

Luz, y más concretamente luz infrarroja, es el núcleo del biosensor desarrollado por el equipo de Altug. Los humanos no pueden ver la luz infrarroja, que está más allá del espectro de luz visible que va del azul al rojo. Sin embargo, podemos sentirlo en forma de calor en nuestros cuerpos, mientras nuestras moléculas vibran bajo la excitación de la luz infrarroja.

Las moléculas constan de átomos unidos entre sí y, según la masa de los átomos y la disposición y rigidez de sus enlaces, vibran a frecuencias específicas. Esto es similar a las cuerdas de un instrumento musical que vibran a frecuencias específicas dependiendo de su longitud. Estas frecuencias de resonancia son específicas de una molécula, y ocurren principalmente en el rango de frecuencia infrarroja del espectro electromagnético.

"Si imagina frecuencias de audio en lugar de frecuencias infrarrojas, es como si cada molécula tuviera su propia melodía característica, "dice Aurélian John-Herpin, asistente de doctorado en el laboratorio de Altug y primer autor de la publicación. "Sin embargo, sintonizar estas melodías es muy desafiante porque sin amplificación, son meros susurros en un mar de sonidos. Para empeorar las cosas, sus melodías pueden presentar motivos muy similares, lo que dificulta distinguirlos ".

Metasuperficies e inteligencia artificial

Los científicos resolvieron estos dos problemas utilizando metasuperficies e IA. Las metauperficies son materiales artificiales con excelentes capacidades de manipulación de la luz a nanoescala, permitiendo así funciones más allá de lo que de otra manera se ve en la naturaleza. Aquí, sus metaátomos diseñados con precisión hechos de nanobarras de oro actúan como amplificadores de las interacciones luz-materia al aprovechar las excitaciones plasmónicas que resultan de las oscilaciones colectivas de los electrones libres en los metales. "En nuestra analogía, Estas interacciones mejoradas hacen que las melodías de las moléculas susurradas sean más audibles, "dice John-Herpin.

La IA es una herramienta poderosa que puede alimentarse con más datos de los que los humanos pueden manejar en la misma cantidad de tiempo y que puede desarrollar rápidamente la capacidad de reconocer patrones complejos a partir de los datos. John-Herpin explica:"AI puede imaginarse como un músico principiante que escucha las diferentes melodías amplificadas y desarrolla un oído perfecto después de unos minutos y puede diferenciar las melodías. incluso cuando se tocan juntos, como en una orquesta con muchos instrumentos simultáneamente ".

El primer biosensor de este tipo

Cuando las metasuperficies infrarrojas de los científicos se aumentan con IA, El nuevo sensor se puede utilizar para analizar ensayos biológicos que presentan múltiples analitos simultáneamente de las principales clases de biomoléculas y resuelven sus interacciones dinámicas.

"Observamos en particular las nanopartículas basadas en vesículas lipídicas y monitoreamos su rotura a través de la inserción de un péptido de toxina y la posterior liberación de cargas de vesículas de nucleótidos y carbohidratos, así como la formación de parches de bicapa lipídica soportados en la metasuperficie, "dice Altug.

Este pionero impulsado por IA, El biosensor basado en metasuperficies abrirá perspectivas interesantes para estudiar y desentrañar procesos biológicos intrínsecamente complejos, como la comunicación intercelular a través de exosomas y la interacción de ácidos nucleicos y carbohidratos con proteínas en la regulación génica y la neurodegeneración.

"Imaginamos que nuestra tecnología tendrá aplicaciones en los campos de la biología, bioanalítica y farmacología:desde la investigación fundamental y el diagnóstico de enfermedades hasta el desarrollo de fármacos, "dice Altug.