EPFL 科学家开发了人工智能驱动的纳米传感器，让研究人员可以在不干扰它们的情况下跟踪各种生物分子。生物分子的微小世界充满了大量不同物质之间迷人的相互作用，例如复杂的纳米机器(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乐的方式极其复杂。

EPFL 工程学院生物纳米光子系统实验室的科学家们现在开发了一种新的生物传感器，可用于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、超表面、红外光和人工智能。该团队的研究刚刚发表在Advanced Materials 上。

每个分子都有自己的旋律

在这首纳米级的交响乐中，完美的编排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杂音，导致癌症和神经退行性疾病等疾病。

生物纳米光子系统实验室负责人 Hatice Altug 说：“调整到这个微小的世界并能够在不干扰它们相互作用的情况下区分蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物，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 Altug 团队开发的生物传感器的核心。人类无法看到红外线，红外线超出了从蓝色到红色的可见光谱范围。然而，当我们的分子在红外光激发下振动时，我们可以以体内热量的形式感受到它。

分子由相互键合的原子组成，并且根据原子的质量及其键的排列和刚度以特定频率振动。这类似于乐器上的琴弦根据其长度以特定频率振动。这些共振频率是分子特异性的，它们大多出现在电磁波谱的红外频率范围内。

“如果你想象音频而不是红外频率，就好像每个分子都有自己独特的旋律，”Altug 实验室的博士助理、该出版物的第一作者 Aurélian John-Herpin 说。“然而，调入这些旋律是非常具有挑战性的，因为如果没有放大，它们只是声音海洋中的低语。更糟糕的是，它们的旋律可能呈现出非常相似的主题，因此很难区分它们。”

超表面和人工智能

科学家们使用超表面和人工智能解决了这两个问题。超表面是一种人造材料，在纳米尺度上具有出色的光操纵能力，从而实现了超出自然界的功能。在这里，他们精确设计的由金纳米棒制成的元原子通过利用金属中自由电子的集体振荡产生的等离子体激发而起到光-物质相互作用的放大器的作用。“在我们的类比中，这些增强的相互作用使低声分子的旋律更易听，”约翰-赫平说。

AI 是一种强大的工具，可以提供比人类在相同时间内处理的更多的数据，并且可以快速培养从数据中识别复杂模式的能力。John-Herpin 解释说：“可以将 AI 想象成一个完整的初学者音乐家，他会聆听不同放大的旋律并在几分钟后发展出完美的耳朵，并且可以区分旋律，即使它们一起演奏 - 就像在管弦乐队中一样同时具有多种乐器。”

同类中的第一个生物传感器

当科学家的红外超表面被 AI 增强时，新传感器可用于同时分析来自主要生物分子类别的多种分析物的生物测定，并解决它们的动态相互作用。

“我们特别研究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超表面上形成支持的脂质双层补丁来监测它们的断裂，”说阿尔图。

这种开创性的人工智能驱动的、基于超表面的生物传感器将为研究和揭示固有的复杂生物过程开辟令人兴奋的前景，例如通过外泌体进行的细胞间通讯以及核酸和碳水化合物与蛋白质在基因调控和神经退行性疾病中的相互作用。

“我们设想我们的技术将应用于生物学、生物分析和药理学领域——从基础研究和疾病诊断到药物开发，”Altug 说。

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