Нанопоры и глубокое обучение помогают диагностировать заболевания

Ученые EPFL представили метод, который использует биологические нанопоры и глубокое обучение для обнаружения модификаций белков, обеспечивая новые подходы к диагностике заболеваний.

Белки, являющиеся основой клетки, после синтеза претерпевают различные модификации. Поскольку эти «посттрансляционные модификации», или ПТМ, могут глубоко влиять на функционирование белка в клетке, они играют центральную роль во многих биологических процессах.

ПТМ также служат биомаркерами многих заболеваний, а это означает, что крайне важно, чтобы мы могли точно их обнаруживать и анализировать, чтобы избежать ошибочного диагноза. Но традиционные методы ограничены в чувствительности и специфичности, особенно при работе с низкими концентрациями белков и сложными моделями ПТМ.

Теперь ученые из EPFL разработали новый метод, который сочетает в себе чувствительность биологических нанопор с точностью глубокого обучения. Этот инновационный подход может изменить способ обнаружения и анализа PTM.

Это исследование было проведено биоинженерными группами Маттео дал Пераро, Чана Цао и Хилала Лашуэля из Школы естественных наук EPFL и находится на стадии расследования. опубликовано в АСУ Нано.

Новый метод фокусируется на использовании биологических нанопор, в частности токсичного порообразующего вещества аэролизина, для обнаружения и характеристики пептидов, строительных блоков белков, с различными ПТМ. Группа Даля Пираро ранее работала с нанопорами на основе аэролизина для создания датчиков высокого разрешения для сложных молекул и даже считывала данные, закодированные в синтетических макромолекулах. Эта технология нанопор достаточно чувствительна, чтобы обнаруживать эти пептиды в пикомолярных концентрациях, что является значительным улучшением по сравнению с современными методами.

Но как работает метод? Когда пептиды проходят через нанопору, они вызывают характерные изменения потока ионов через нанопору – так называемый «ионный ток». Каждый тип ПТМ уникальным образом изменяет структуру пептида, что приводит к появлению различных характеристик токов; Записывая эти изменения тока, метод может идентифицировать и различать различные PTM на пептидах.

Что делает этот подход еще более выдающимся, так это то, что он затем использует алгоритмы глубокого обучения для анализа сложных данных и точной классификации пептидов на основе их шаблонов PTM. Модель может уверенно идентифицировать характерные текущие характеристики пептидов и их вариантов PTM, обеспечивая быстрый, автоматический и высокоточный метод их классификации.

Чтобы проверить этот подход, исследователи обратились к опыту Ласвелла, чья лаборатория стала пионером в разработке подходов синтетической и химической биологии для изучения роли ПТМ в нейродегенеративных заболеваниях. «Мы продемонстрировали, что можем использовать сенсорную силу нашей нанопоры для обнаружения и характеристики различных изоформ PTM альфа-синуклеина, одного из наиболее востребованных биомаркеров и мишеней для разработки терапевтических средств для лечения болезни Паркинсона», — говорит Чан Цао, ведущий научный сотрудник исследования. автор.

Ученые успешно продемонстрировали, что метод нанопор может обнаруживать и характеризовать белки альфа-синуклеина с одним или несколькими PTM, такими как фосфорилирование, нитрование и окисление. «Эта возможность выбирать несколько правок одновременно меняет правила игры», — говорит Ласвелл. «Это позволяет более точно картировать код белков PTM на уровне отдельных молекул и, таким образом, может помочь раскрыть новое понимание сложного взаимодействия и динамики PTM в процессах заболеваний и их потенциала в качестве биомаркеров заболеваний».

Такое сочетание зондирования нанопор и расширенного анализа данных открывает новые возможности для понимания модификаций белков на уровне детализации, который ранее был недоступен. Технология нанопор может использоваться не только для обнаружения ПТМ, но также для обнаружения и диагностики биомаркеров.

«Мы предоставили первые доказательства того, что этот подход можно использовать для обнаружения этих биомаркеров в моделируемом клиническом образце, обеспечивая платформу для разработки одномолекулярных диагностических инструментов для болезни Паркинсона», — говорит Дал Пераро. Команда предполагает, что этот метод может быть преобразован в портативное диагностическое устройство, предлагающее быстрый, экономичный и высокочувствительный инструмент для медицинского и коммерческого использования.