洛桑联邦理工学院 学分:洛桑联邦理工学院 EPFL科学家开发了人工智能驱动的纳米传感器，让研究人员跟踪各种生物分子而不干扰它们
生物分子的微小世界充满了大量不同试剂之间迷人的相互作用，如复杂的纳米机器(蛋白质)、变形血管(脂质复合物)、重要信息链(DNA)和能量燃料(碳水化合物)
然而，生物分子相遇和相互作用以定义生命交响曲的方式极其复杂
EPFL工程学院生物纳米光子系统实验室的科学家现在已经开发出一种新的生物传感器，可以用来观察纳米世界的所有主要生物分子类别，而不会干扰它们
他们的创新技术使用纳米技术、亚表面、红外光和人工智能
该团队的研究刚刚发表在《高级材料》杂志上
每个分子都有自己的旋律 在这部纳米大小的交响乐中，完美的配器使视觉和味觉等生理奇迹成为可能，而轻微的不和谐会放大成可怕的不和谐，导致癌症和神经退化等病理现象
生物纳米光子系统实验室的负责人哈蒂斯·阿尔图格说:“进入这个微小的世界，能够在不干扰蛋白质、脂类、核酸和碳水化合物相互作用的情况下区分它们，对于理解生命过程和疾病机制至关重要。”
光，更具体地说是红外光，是阿尔图格团队开发的生物传感器的核心
人类看不到红外光，红外光超出了从蓝色到红色的可见光光谱
然而，当我们的分子在红外光激发下振动时，我们可以感觉到它在我们体内以热量的形式存在
分子由相互结合的原子组成，并根据原子的质量和它们结合的排列和硬度，以特定的频率振动
这类似于乐器上的弦，根据其长度以特定的频率振动
这些共振频率是分子特有的，它们大多出现在电磁波谱的红外频率范围内
“如果你想象的是音频而不是红外频率，那就好像每个分子都有自己独特的旋律，”阿尔图格实验室的博士助理、该出版物的第一作者奥雷连·约翰-赫平说
“然而，调谐到这些旋律是非常具有挑战性的，因为没有放大，它们只是声音海洋中的低语
更糟糕的是，他们的旋律呈现出非常相似的主题，很难区分
" 元曲面与人工智能 科学家们使用元曲面和人工智能解决了这两个问题
亚表面是人造材料，在纳米尺度上具有出色的光操纵能力，从而使其功能超越了自然界中的其他物质
在这里，它们由金纳米棒制成的精确设计的元原子通过利用金属中自由电子集体振荡产生的等离子激元激发离子，起到了光-物质相互作用放大器的作用
“在我们的类比中，这些增强的相互作用使得小声的分子旋律更容易被听到，”约翰-赫平说
人工智能是一个强大的工具，它能在相同的时间内处理比人类更多的数据，并能快速发展从数据中识别复杂模式的能力
约翰·赫平解释说:“人工智能可以想象成一个完全的初学者音乐家，他听不同的放大旋律，几分钟后就能形成一只完美的耳朵，甚至在一起演奏时也能分辨出旋律——就像在一个同时拥有许多乐器的管弦乐队中一样
" 同类中的第一个生物传感器 当科学家的红外元表面被人工智能增强时，新的传感器可以用于分析生物分析，同时从主要生物分子类别中提取多种分析物，并解决它们的动态相互作用
“我们特别观察了基于脂质囊泡的纳米粒子，并通过插入毒素肽和随后释放核苷酸和碳水化合物的囊泡货物，以及在亚表面形成支撑的脂质双层贴片来监测它们的破坏，”阿尔图格说
这种开创性的人工智能驱动的基于亚表面的生物传感器将为研究和揭示内在复杂的生物过程开辟令人兴奋的前景，例如通过外来体的细胞间通讯以及核酸和碳水化合物与蛋白质在基因调节和神经退化中的相互作用
“我们设想我们的技术将在生物学、生物分析和药理学领域得到应用——从基础研究和疾病诊断到药物开发，”阿尔图格说
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