L’intelligence artificielle pour explorer le monde biomoléculaire


L'intelligence artificielle pour explorer le monde biomoléculaire

Crédit photo: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Les scientifiques de l’EPFL ont développé des nanocapteurs alimentés par l’IA qui permettent aux chercheurs de suivre différents types de molécules biologiques sans les déranger.

Le minuscule monde des biomolécules est riche en interactions fascinantes entre une multitude de substances actives différentes telles que des nanomachines complexes (protéines), des vaisseaux à changement de forme (complexes lipidiques), des chaînes d’informations vitales (ADN) et des carburants énergétiques (glucides). Cependant, la manière dont les biomolécules se rencontrent et interagissent définir la symphonie de la est extrêmement complexe.

Les scientifiques du laboratoire des systèmes bionanophotoniques de la Faculté d’ingénierie de l’EPFL ont maintenant développé un nouveau biocapteur avec lequel toutes les classes de biomolécules importantes du nanomonde peuvent être observées sans les déranger. Leur technologie innovante utilise la nanotechnologie, les méta-surfaces, la lumière infrarouge et l’intelligence . Les recherches de l’équipe viennent d’être publiées dans Matériaux avancés.

Chaque molécule a sa mélodie

Dans cette symphonie de taille nanométrique, une orchestration parfaite permet des merveilles physiologiques comme la vue et le goût, tandis que de légères dissonances peuvent conduire à de terribles cacophonies menant à des pathologies comme le cancer et la neurodégénérescence.

«S’adapter à ce petit monde et être capable de différencier les protéines, les lipides, les acides nucléiques et les glucides sans perturber leurs interactions est fondamental pour comprendre les processus de la vie et les mécanismes de la maladie», déclare Hatice Altug, directeur du Bionanophotonic Systems Laboratory.

La lumière et en particulier la lumière infrarouge forment le cœur du biocapteur développé par l’équipe d’Altug. Les humains ne peuvent pas voir la lumière infrarouge qui est en dehors du spectre de la lumière visible du bleu au rouge. Cependant, nous pouvons le ressentir sous forme de chaleur dans notre corps alors que nos molécules vibrent sous l’excitation de la lumière infrarouge.

Les molécules sont constituées d’atomes liés les uns aux autres et – en fonction de la masse des atomes et de la disposition et de la rigidité de leurs liaisons – vibrent à certaines fréquences. Ceci est similaire aux cordes d’un instrument de musique, qui vibrent à certaines fréquences en fonction de leur longueur. Ces fréquences de résonance sont spécifiques aux molécules et se produisent principalement dans la gamme de fréquences infrarouges du spectre électromagnétique.

«Si vous pensez aux fréquences audio plutôt qu’aux fréquences infrarouges, c’est comme si chaque molécule avait sa propre mélodie», explique Aurélian John-Herpin, doctorant au laboratoire d’Altug et auteur principal de l’article. « Cependant, accorder ces mélodies est très difficile car sans amplification, elles ne sont qu’un murmure dans une mer de sons. Pour aggraver les choses, leurs mélodies peuvent avoir des motifs très similaires qui les rendent difficiles à distinguer les unes des autres. »

Méta-surfaces et intelligence artificielle

Les scientifiques ont résolu ces deux problèmes en utilisant des méta-surfaces et de l’IA. Les métasurfaces sont des matériaux artificiels dotés d’excellentes capacités de manipulation de la lumière à l’échelle nanométrique qui permettent des fonctions qui vont au-delà de ce que l’on peut voir autrement dans la nature. Ici, leurs méta-atomes précisément construits en nanorods d’or agissent comme des amplificateurs d’interactions entre la lumière et la matière en utilisant les excitations plasmoniques qui résultent des vibrations collectives d’électrons libres dans les métaux. «Dans notre analogie, ces interactions améliorées rendent les mélodies moléculaires chuchotées plus audibles», explique John-Herpin.

L’IA est un outil puissant qui peut être alimenté avec plus de que les humains ne peuvent en traiter dans le même laps de temps, et qui peut rapidement développer la capacité de reconnaître des modèles complexes à partir des données. John-Herpin explique: «L’IA peut être imaginée comme un débutant complet qui entend les différentes mélodies amplifiées et développe une oreille parfaite après seulement quelques minutes et peut distinguer les mélodies, même lorsqu’elles sont jouées ensemble – comme dans un orchestre avec de nombreux personnes Instruments en même temps.  »

Le premier biocapteur du genre

Lorsque les métasurfaces infrarouges des scientifiques sont étendues avec l’IA, le nouveau capteur peut être utilisé pour analyser des dosages biologiques avec plusieurs analytes simultanément des principales classes de biomolécules et résoudre leurs interactions dynamiques.

«Nous étions particulièrement préoccupés par les nanoparticules à de vésicules lipidiques et avons surveillé leur rupture par l’insertion d’un peptide toxique et la libération ultérieure de charges vésiculaires de nucléotides et d’hydrates de carbone ainsi que la formation de patchs bicouches lipidiques supportés sur la métasurface», explique Altug .

Ce biocapteur révolutionnaire basé sur l’IA basé sur des méta-surfaces ouvre des perspectives passionnantes pour l’investigation et l’élucidation de processus biologiques intrinsèquement complexes tels que la communication intercellulaire via des exosomes et l’interaction des acides nucléiques et des glucides avec des protéines dans la régulation des gènes et la neurodégénérescence.

«Nous supposons que notre technologie trouvera des applications dans les domaines de la biologie, de la bioanalyse et de la pharmacologie – de la recherche fondamentale au diagnostic des maladies et au développement de médicaments», déclare Altug.


Résolution des informations moléculaires dans les membranes lipidiques dynamiques avec des méta-surfaces


Plus d’information:
Aurelian John-Herpin et al. Méta-surface infrarouge améliorée par un apprentissage en profondeur pour surveiller la dynamique entre toutes les grandes classes de biomolécules, Matériaux avancés (2021). DOI: 10.1002 / adma.202006054

Fourni par l’Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Citation: Intelligence artificielle pour explorer le monde biomoléculaire (2021, 7 avril), consulté le 7 avril 2021 sur https://phys.org/news/2021-04-artificial-intelligence-explore-biomolecular-world.html

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