Gli scienziati dell'EPFL hanno sviluppato nanosensori basati sull'intelligenza artificiale che consentono ai ricercatori di tracciare vari tipi di molecole biologiche senza disturbarle.

Il minuscolo mondo delle biomolecole è ricco di affascinanti interazioni tra una pletora di agenti diversi come intricate nanomacchine (proteine), vasi che cambiano forma (complessi lipidici), catene di informazioni vitali (DNA) e combustibile energetico (carboidrati). Eppure i modi in cui le biomolecole si incontrano e interagiscono per definire la sinfonia della vita sono estremamente complessi.

Gli scienziati del Bionanophotonic Systems Laboratory della School of Engineering dell'EPFL hanno ora sviluppato un nuovo biosensore che può essere utilizzato per osservare tutte le principali classi di biomolecole del nanomondo senza disturbarle. La loro tecnica innovativa utilizza la nanotecnologia, metasuperfici, luce infrarossa e intelligenza artificiale. La ricerca del team è stata appena pubblicata in Materiale avanzato .

Ad ogni molecola la sua melodia

In questa sinfonia di dimensioni nano, la perfetta orchestrazione rende possibili meraviglie fisiologiche come la visione e il gusto, mentre lievi dissonanze possono amplificarsi in orrende cacofonie che portano a patologie come cancro e neurodegenerazione.

"Sintonizzare questo piccolo mondo ed essere in grado di distinguere tra le proteine, lipidi, acidi nucleici e carboidrati senza disturbare le loro interazioni è di fondamentale importanza per comprendere i processi vitali e i meccanismi patologici, "dice Hatice Altug, il responsabile del Laboratorio di Sistemi Bionanofotonici.

Leggero, e più specificamente luce infrarossa, è al centro del biosensore sviluppato dal team di Altug. Gli esseri umani non possono vedere la luce infrarossa, che va oltre lo spettro della luce visibile che va dal blu al rosso. Però, possiamo sentirlo sotto forma di calore nei nostri corpi, mentre le nostre molecole vibrano sotto l'eccitazione della luce infrarossa.

Le molecole sono costituite da atomi legati tra loro e, a seconda della massa degli atomi e della disposizione e della rigidità dei loro legami, vibrano a frequenze specifiche. Questo è simile alle corde di uno strumento musicale che vibrano a frequenze specifiche a seconda della loro lunghezza. Queste frequenze di risonanza sono specifiche della molecola, e si verificano principalmente nella gamma di frequenze infrarosse dello spettro elettromagnetico.

"Se immagini frequenze audio invece di frequenze infrarosse, è come se ogni molecola avesse la sua melodia caratteristica, "dice Aurélian John-Herpin, un assistente di dottorato presso il laboratorio di Altug e il primo autore della pubblicazione. "Però, sintonizzarsi su queste melodie è molto impegnativo perché senza amplificazione, sono semplici sussurri in un mare di suoni. A peggiorare le cose, le loro melodie possono presentare motivi molto simili, rendendo difficile distinguerli."

Metasuperfici e intelligenza artificiale

Gli scienziati hanno risolto questi due problemi utilizzando metasuperfici e intelligenza artificiale. Le metasuperfici sono materiali artificiali con eccezionali capacità di manipolazione della luce su scala nanometrica, consentendo così funzioni al di là di ciò che è altrimenti visto in natura. Qui, i loro meta-atomi progettati con precisione fatti di nanotubi d'oro agiscono come amplificatori delle interazioni luce-materia attingendo alle eccitazioni plasmoniche risultanti dalle oscillazioni collettive degli elettroni liberi nei metalli. "Nella nostra analogia, queste interazioni potenziate rendono più udibili le melodie molecolari sussurrate, " dice John-Herpin.

L'intelligenza artificiale è uno strumento potente che può essere alimentato con più dati di quanti gli esseri umani possano gestire nello stesso lasso di tempo e che può sviluppare rapidamente la capacità di riconoscere modelli complessi dai dati. John-Herpin spiega, "AI può essere immaginato come un musicista principiante completo che ascolta le diverse melodie amplificate e sviluppa un orecchio perfetto dopo pochi minuti e può distinguere le melodie, anche quando vengono suonati insieme, come in un'orchestra con molti strumenti contemporaneamente."

Il primo biosensore del suo genere

Quando le metasuperfici a infrarossi degli scienziati vengono potenziate con l'intelligenza artificiale, il nuovo sensore può essere utilizzato per analizzare saggi biologici con più analiti contemporaneamente dalle principali classi di biomolecole e risolverne le interazioni dinamiche.

"Abbiamo esaminato in particolare le nanoparticelle a base di vescicole lipidiche e ne abbiamo monitorato la rottura attraverso l'inserimento di un peptide di tossina e il successivo rilascio di carichi di vescicole di nucleotidi e carboidrati, così come la formazione di chiazze a doppio strato lipidico supportate sulla metasuperficie, "dice Altug.

Questo pionieristico AI-powered, il biosensore basato sulla metasuperficie aprirà prospettive entusiasmanti per studiare e svelare processi biologici intrinsecamente complessi, come la comunicazione intercellulare tramite esosomi e l'interazione di acidi nucleici e carboidrati con proteine ​​nella regolazione genica e nella neurodegenerazione.

"Immaginiamo che la nostra tecnologia avrà applicazioni nei campi della biologia, bioanalitica e farmacologia:dalla ricerca fondamentale e diagnostica delle malattie allo sviluppo di farmaci, "dice Altug.