Maschinelles Lernen ermöglicht die Entdeckung DNA-stabilisierter Silbernanocluster

DNA kann mehr als nur den genetischen Code von einer Generation zur nächsten weitergeben. Seit fast 20 Jahren wissen Wissenschaftler um die Fähigkeit des Moleküls, nanometergroße Cluster von Silberatomen zu stabilisieren. Einige dieser Strukturen leuchten sichtbar in Rot und Grün, was sie für eine Vielzahl chemischer und biosensorischer Anwendungen nützlich macht.

Stacy Copp, UCI-Assistenzprofessorin für Materialwissenschaften und -technik, wollte herausfinden, ob die Fähigkeiten dieser winzigen fluoreszierenden Marker noch weiter ausgeweitet werden könnten – in den nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums –, um biowissenschaftlichen Forschern die Möglichkeit zu geben, durch lebende Zellen und sogar Zentimeter biologisches Gewebe zu sehen und so die Tür zu verbesserten Methoden zur Erkennung und Behandlung von Krankheiten zu öffnen.

„Es besteht ungenutztes Potenzial, die Fluoreszenz von DNA-stabilisierten Silbernanoclustern auf den nahen Infrarotbereich auszudehnen“, sagt sie. „Das ist deshalb so interessant, weil unsere biologischen Gewebe und Flüssigkeiten für Licht im nahen Infrarot viel transparenter sind als für sichtbares Licht.“

Laut Copp haben Wissenschaftler und Ingenieure nach neuen Möglichkeiten gesucht, Körpergewebe zu scannen, um die mutierenden Nebenwirkungen von Röntgenstrahlen zu vermeiden oder Patienten Radionuklide einnehmen zu lassen, um Tumore zu erkennen. „Es gibt viele Gründe, warum es spannend wäre, nichtinvasives, ungefährliches Nahinfrarotlicht zu verwenden, bei dem es sich im Wesentlichen um Wärme handelt“, sagt sie. „Aber eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass wir nicht wirklich über gute, ungiftige Fluorophore verfügen – Moleküle oder Nanopartikel, die dieses Licht im nahen Infrarot emittieren.“

Die antimikrobielle Wirkung von Silber ist den Menschen seit der Antike bekannt. Das Element tötet Bakterien ab, ist aber für die meisten Säugetierzellen harmlos; Es wird sogar verwendet, um Gerüche in einigen Stoffen zu bekämpfen, die Menschen tragen. Laut Copp haben jüngste Studien gezeigt, dass DNA-stabilisierte Silbernanocluster eine geringe Zytotoxizität aufweisen und DNA von Natur aus biokompatibel ist – was den Einsatz dieser Verbindungen im klinischen Umfeld potenziell sicher macht.

Wie bei vielen Dingen, die mit der DNA zu tun haben, gibt es eine nahezu unvorstellbare Menge an Sequenzpermutationen, von denen nur eine kleine Teilmenge die von den Forschern gesuchten fluoreszierenden Eigenschaften besitzt. Während seiner Zeit an der UC Santa Barbara war Copp Teil eines Teams, das ein Instrument entwickelte, das schnell Hunderte von Silbernanoclustern gleichzeitig scannen kann, um zu sehen, ob sie Nahinfrarotemissionen aufweisen. Mit diesem Tool konnten die Wissenschaftler eine große Anzahl bisher verborgener Kandidatensequenzen finden.

In ihrem Labor im Susan and Henry Samueli Interdisciplinary Science and Engineering Building der UCI initiierte Copp ein Projekt mit Peter Mastracco, ihrem ersten Doktortitel. Studentin, um neue Daten zu nutzen, die DNA-Sequenzen mit den Farben der Nanocluster verbinden, die Copp sagt, dass sie sie mit einem „Nanocluster-Genom“ vergleicht. Sie bat Mastracco, eine Methode des maschinellen Lernens zu entwickeln, die ihnen dabei helfen könnte, Berge experimenteller Daten zu analysieren, um neuartige DNA-Sequenzen zu entwickeln – solche, die im Labor erstellt werden können –, die den Zugang zum Nahinfrarotbereich ermöglichen.

Zu Beginn des Projekts fand Mastracco ein Forschungspapier, das die Röntgenkristallstruktur eines DNA-stabilisierten Silbernanoclusters zeigte. „Es gab uns buchstäblich ein Bild davon, wo sich alle Silberatome befinden und wie die DNA um den Nanocluster herum gefaltet ist“, sagt Copp. „Und er entdeckte etwas, was mir vorher nicht aufgefallen war, nämlich dass sich die DNA auf eine bestimmte Weise um den Nanocluster herum faltete.“

Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass sie möglicherweise die Fluoreszenzfarbe der Nanocluster vorhersagen könnten, wenn sie Informationen über diese Faltungsbesonderheit in ihre Modelle für maschinelles Lernen kodierten.

Teil von Mastraccos Ph.D. Die Ausbildung in Copps Gruppe bestand darin, Mentor zu werden. Im Sommer 2020 – einem frühen Höhepunkt der COVID-19-Pandemie – wurde er mit Josh Evans zusammengebracht, einem Studenten am Chaffey College, einem Community College mit Campus im kalifornischen Inland Empire.

Laut Copp hat Evans einen kreativen Weg gefunden, die Ergebnisse von Mastraccos Modellen klarer zu interpretieren. „Einige dieser Algorithmen können wie eine Blackbox funktionieren“, sagt Copp. „Sie stellen dem maschinellen Lernalgorithmus einen Datensatz zur Verfügung, und dieser lernt die Trends in diesen Daten, und das hilft Ihnen, Vorhersagen zu treffen. Aber es kann wirklich schwierig sein, den Deckel zu öffnen, um herauszufinden, was in der Box vor sich geht.“

Evans half bei der Lösung dieses Problems, indem er ein „Merkmalsauswahltool“ verwendete, mit dem das Team bestimmen konnte, welcher Teil der DNA-Sequenz mit den verschiedenen Fluoreszenzfarben der Nanocluster korreliert.

Laut Copp war der Durchbruch ein wesentlicher Beitrag zu einer Forschungsarbeit – mit Mastracco als Hauptautor –, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ACS Nano.

Die Arbeit in der Copp-Forschungsgruppe an fluoreszierenden Nanoclustern geht weiter. Sie haben kürzlich einen zweiten Artikel zu diesem Thema veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society, dieses unter der Leitung von Ph.D. Studentin Anna Gonzalez Rosell, die den UCI-Studenten-Co-Autor Nery Arevalos betreute.

„Das Papier stellt einen entscheidenden Fortschritt bei der Entwicklung wirklich biokompatibler Nanocluster für die Nahinfrarot-Bildgebung dar“, sagt Copp. „Mehrere meiner Studenten haben an diesen Arbeiten mitgearbeitet, und die Betreuung von Studenten als Mentor spielte bei den Projekten eine entscheidende Rolle. Es ist eine Vereinbarung, die unglaublich gut funktioniert, wenn es darum geht, Forschungsergebnisse zu liefern und jungen Wissenschaftlern beim Erreichen ihrer Ziele zu helfen.“