Os cientistas da EPFL desenvolveram nanosensores alimentados por IA que permitem aos pesquisadores rastrear vários tipos de moléculas biológicas sem perturbá-las.

O minúsculo mundo das biomoléculas é rico em interações fascinantes entre uma infinidade de diferentes agentes, como nanomáquinas intrincadas (proteínas), vasos que mudam de forma (complexos lipídicos), cadeias de informações vitais (DNA) e combustível energético (carboidratos). No entanto, as maneiras pelas quais as biomoléculas se encontram e interagem para definir a sinfonia da vida são extremamente complexas.

Cientistas do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos da Escola de Engenharia da EPFL desenvolveram agora um novo biossensor que pode ser usado para observar todas as principais classes de biomoléculas do nanomundo sem perturbá-las. Sua técnica inovadora usa nanotecnologia, metassuperfícies, luz infravermelha e inteligência artificial. A pesquisa da equipe acaba de ser publicada em Materiais avançados .

Para cada molécula sua própria melodia

Nesta sinfonia em tamanho nano, a orquestração perfeita torna maravilhas fisiológicas, como visão e paladar, possíveis, enquanto ligeiras dissonâncias podem se transformar em horrendas cacofonias que levam a patologias como câncer e neurodegeneração.

"Sintonizar neste mundo minúsculo e ser capaz de diferenciar as proteínas, lipídios, ácidos nucléicos e carboidratos sem perturbar suas interações é de fundamental importância para a compreensão dos processos vitais e mecanismos de doenças, "diz Hatice Altug, o chefe do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos.

Luz, e mais especificamente luz infravermelha, está no cerne do biossensor desenvolvido pela equipe de Altug. Os humanos não podem ver a luz infravermelha, que está além do espectro de luz visível que varia do azul ao vermelho. Contudo, podemos sentir isso na forma de calor em nossos corpos, enquanto nossas moléculas vibram sob a excitação da luz infravermelha.

As moléculas consistem em átomos ligados uns aos outros e - dependendo da massa dos átomos e do arranjo e rigidez de suas ligações - vibram em frequências específicas. Isso é semelhante às cordas de um instrumento musical que vibram em frequências específicas, dependendo de seu comprimento. Essas frequências ressonantes são específicas da molécula, e eles ocorrem principalmente na faixa de frequência infravermelha do espectro eletromagnético.

"Se você imaginar frequências de áudio em vez de frequências infravermelhas, é como se cada molécula tivesse sua própria melodia característica, "diz Aurélian John-Herpin, um assistente de doutorado no laboratório de Altug e o primeiro autor da publicação. "Contudo, sintonizar essas melodias é muito desafiador porque sem amplificação, eles são meros sussurros em um mar de sons. Para piorar as coisas, suas melodias podem apresentar motivos muito semelhantes, tornando difícil distingui-los. "

Metasuperfícies e inteligência artificial

Os cientistas resolveram esses dois problemas usando metassuperfícies e IA. Metasurfaces são materiais feitos pelo homem com excelentes recursos de manipulação de luz em escala nano, permitindo assim funções além do que é visto na natureza. Aqui, seus meta-átomos projetados com precisão feitos de nanobastões de ouro agem como amplificadores de interações luz-matéria, aproveitando as excitações plasmônicas resultantes das oscilações coletivas de elétrons livres em metais. "Em nossa analogia, essas interações aprimoradas tornam as melodias das moléculas sussurradas mais audíveis, "diz John-Herpin.

AI é uma ferramenta poderosa que pode ser alimentada com mais dados do que os humanos podem manipular no mesmo período de tempo e que pode desenvolver rapidamente a capacidade de reconhecer padrões complexos a partir dos dados. John-Herpin explica, "AI pode ser imaginado como um músico iniciante completo que ouve as diferentes melodias amplificadas e desenvolve um ouvido perfeito depois de apenas alguns minutos e pode distinguir as melodias, mesmo quando são tocados juntos - como em uma orquestra com muitos instrumentos simultaneamente. "

O primeiro biossensor de seu tipo

Quando as metassuperfícies infravermelhas dos cientistas são aumentadas com IA, o novo sensor pode ser usado para analisar ensaios biológicos apresentando vários analitos simultaneamente das principais classes de biomoléculas e resolvendo suas interações dinâmicas.

"Observamos em particular as nanopartículas à base de vesículas lipídicas e monitoramos sua quebra por meio da inserção de um peptídeo de toxina e a liberação subsequente de cargas de vesículas de nucleotídeos e carboidratos, bem como a formação de manchas de bicamada lipídica com suporte na metassuperfície, "diz Altug.

Este pioneiro acionado por IA, O biossensor baseado em metassuperfície abrirá perspectivas interessantes para estudar e desvendar processos biológicos inerentemente complexos, como a comunicação intercelular via exossomos e a interação de ácidos nucléicos e carboidratos com proteínas na regulação gênica e neurodegeneração.

“Imaginamos que nossa tecnologia terá aplicações nas áreas de biologia, bioanalítica e farmacologia - da pesquisa fundamental e diagnóstico de doenças ao desenvolvimento de medicamentos, "diz Altug.