کالتک دنیای علوم زیستی را متحول می‌کند/ اندازه‌گیری جرم پروتئین‌ها به‌وسیله یادگیری ماشین!

به گزارش خبرنگار علمی و فناوری خبرگزاری برنا؛ دانشمندان دانشگاه کالتک با معرفی یک تکنیک انقلابی مبتنی بر یادگیری ماشین، امکان اندازه‌گیری دقیق جرم ذرات فردی را با استفاده از دستگاه‌های پیشرفته نانو مقیاس فراهم کرده‌اند.

 این روش می‌تواند درک ما از پروتئوم‌ها را به‌طرز چشمگیری ارتقا دهد و به‌ویژه، امکان اندازه‌گیری جرم پروتئین‌ها را در فرم بومی خود فراهم می‌کند. این دستاورد، بینش‌های جدیدی درباره فرآیند‌های بیولوژیکی و مکانیسم‌های بیماری‌ها ارائه خواهد داد.

این تکنیک جدید به دانشمندان این امکان را می‌دهد که پروتئین‌ها و مولکول‌های فردی را به‌طور دقیق اندازه‌گیری کنند.

میکائیل روکوس، پروفسور فیزیک، فیزیک کاربردی و مهندسی زیستی در کالتک و یکی از نویسندگان مقاله‌ای که در نشریه نیچر کامونیکیشنز منتشر شده است، گفت: “ما اکنون درباره طیف‌سنجی جرمی در سطح مولکول‌های فردی صحبت می‌کنیم؛ توانایی مشاهده کل پروتئین‌ها به‌صورت زمان واقعی بدون خرد کردن آنها. ”

 وی ادامه داد: “اگر ما یک تکنیک تک‌مولکولی داشته باشیم که از طریق آن بتوانیم میلیون‌ها پروتئین را در زمان معقولی اندازه‌گیری کنیم، در این صورت می‌توانیم درک کاملی از پروتئوم ارگانیسم‌ها، از جمله انسان‌ها، به‌دست آوریم. ”

قدرت طیف‌سنجی جرمی

طیف‌سنجی جرمی یکی از ابزار‌های تحلیلی رایج است که برای کشف ترکیبات مولکولی استفاده می‌شود. در این فرآیند، یک نمونه ناشناخته یونیزه شده و به سمت یک مسیر مشخص فرستاده می‌شود. سپس با استفاده از میدان مغناطیسی یا الکتریکی، به یون‌ها فشار وارد می‌شود و میزان انحراف آنها اندازه‌گیری می‌گردد. هرچه یون‌ها سبک‌تر و بار مثبت‌تری داشته باشند، بیشتر منحرف می‌شوند. این اطلاعات به محققان کمک می‌کند تا ترکیب شیمیایی نمونه را تحلیل کنند.

با این حال، مرحله اولیه یونیزاسیون برای همه نمونه‌ها ایده‌آل نیست و به‌ویژه در نمونه‌های زیستی ممکن است تغییراتی ایجاد کند. در دو دهه گذشته، با توسعه سیستم‌های نانو الکترومکانیکی (NEMS)، نوعی از طیف‌سنجی جرمی ایجاد شده است که نیازی به یونیزه کردن نمونه ندارد و این امکان را به‌وجود آورده که جرم مولکول‌های کوچک را در زمان واقعی اندازه‌گیری کنند. این امر به دانشمندان این امکان را می‌دهد که بدون نیاز به حدس و گمان، به تحلیل دقیق‌تری از ترکیب‌های شیمیایی بپردازند.

پیشرفت‌ها در دستگاه‌های NEMS

طیف‌سنجی جرمی NEMS معمولاً با استفاده از دستگاه‌های سیلیکونی انجام می‌شود که به‌عنوان تیرک‌های کوچکی تصور می‌شوند که در دو انتها به یک پایه متصل هستند. هنگامی که این تیرک‌ها به حرکت در می‌آیند، مانند سیم گیتار ارتعاش کرده و فرکانس‌های خاصی از خود تولید می‌کنند. با قرار دادن یک نمونه بر روی این تیرک‌ها، فرکانس‌های ارتعاشی تغییر می‌کند و این تغییرات می‌تواند به محققان کمک کند تا جرم نمونه را استنباط کنند.

با این حال، در جدیدترین دستگاه‌های NEMS، همیشه نمی‌توان شکل دقیق هر حالت ارتعاشی را تعیین کرد. این به‌دلیل وجود تفاوت‌های جزئی در دستگاه‌ها و همچنین پیچیدگی‌های فیزیکی آنها در مقیاس نانو است. مکان قرارگیری نمونه نیز بر اندازه‌گیری‌های فرکانسی تاثیر می‌گذارد و این امر می‌تواند منجر به دشواری‌هایی در اندازه‌گیری دقیق شود.

اثر انگشت‌زنی جرم مولکولی

برای حل این مشکلات، سادر، روکوس و همکارانشان تکنیک جدیدی به‌نام “طیف‌سنجی جرمی نانو الکترومکانیکی اثر انگشتی” توسعه داده‌اند. در این روش، پژوهشگران به‌طور تصادفی یک ذره را در دستگاه NEMS تحت خلا فوق‌العاده بالا و دمای فوق‌العاده پایین قرار می‌دهند و در زمان واقعی تغییرات فرکانس‌های چندین حالت دستگاه را اندازه‌گیری می‌کنند. این فرآیند به آنها اجازه می‌دهد تا یک بردار با ابعاد بالا بسازند که تغییرات فرکانسی را نمایان می‌سازد.

هر یک از این بردار‌ها به‌نوعی یک اثر انگشت منحصر به‌فرد به شمار می‌رود.

سادر توضیح داد: “اگر من یک ذره با جرم ناشناخته بگیرم و آن را در هر نقطه از دستگاه قرار دهم—من نمی‌دانم کجا قرار گرفته و واقعاً برای من مهم نیست—و فرکانس‌های حالت‌های ارتعاشی را اندازه‌گیری کنم، این به من یک بردار می‌دهد که به سمت خاصی اشاره می‌کند. ” سپس با مقایسه این بردار با تمامی بردار‌های موجود در پایگاه داده، محققان می‌توانند جرم ناشناخته ذره را تعیین کنند.

روکوس و سادر معتقدند که این تکنیک اثر انگشت می‌تواند با هر دستگاهی کار کند و این روش نوآورانه می‌تواند افق‌های جدیدی را در علم زیست‌شناسی و پزشکی باز کند و به شناسایی دقیق‌تر پروتئین‌ها و درمان بیماری‌ها کمک کند.

انتهای پیام/