Optiska pincetter blir snabbare med hjälp av AI

Precis som självkörande bilar tar sig fram i trafiken utan en människa bakom ratten, utvecklas nu laboratorieinstrument som på egen hand utformar, genomför och upprepar experiment dygnet runt. I en nyligen publicerad artikel i Nature Methods visar forskarna hur de har utvecklat en AI som kan snabba på hanteringen av optiska pincetter, döpt till SmartTrap.

Nobelprisbelönad teknik

Optiska pincetter använder fokuserade laserstrålar för att greppa och manipulera objekt som är tusen gånger tunnare än ett människohår − enskilda DNA-molekyler, levande celler och mikroskopiska partiklar. 2018 tilldelades Arthur Ashkin Nobelpriset i fysik för utvecklingen av optiska pincetter.

− De optiska pincetterna har avslöjat hur molekylära motorer driver våra celler, hur DNA kopieras och repareras, och hur sjukdomar som malaria och sicklecellanemi påverkar de röda blodkropparnas funktion, säger Giovanni Volpe, forskningsledare vid Göteborgs universitet.

Snabbare process med AI

Dessa kraftfulla instrument har hittills krävt att en utbildad forskare övervakar varje steg och fattar alla beslut. Begränsningen leder till låg genomströmning, långa arbetsdagar och experiment som kan skilja sig något från en forskare till en annan.

Forskarnas AI eliminerar det här problemet. Genom att kombinera bildanalys med djupinlärning i realtid, specialanpassad elektronik, exakt vätskekontroll och återkoppling i ett slutet system fungerar AI-plattformen helt självständigt. SmartTrap fångar upp partiklarna, placerar dem med nanometerprecision i tre dimensioner, utför mätningar och laddar in nya prover för nästa test.

AI-plattformen genomgick flera krävande tester. AI:n sorterade och karakteriserade hundratals partiklar per timme. Den utförde DNA-sträckning på enkelmolekylnivå, vilket en av de tekniskt mest krävande analyserna inom biofysiken. AI:n hann med 10-15 experiment per timme. Den undersökte också den mekaniska styvheten hos röda blodkroppar och kartlade elektrostatiska krafter i nanoskala mellan partikelpar vid olika saltkoncentrationer.

Presterade bättre

− För en mänsklig operatör av optiska pincetter tar dessa experiment tio eller hundra gånger så lång tid, om vi antar att operatören inte blir uttråkad eller behöver ta rast då och då. Vi såg också att AI:n presterade lika bra eller bättre än en skicklig mänsklig operatör i samtliga fall, säger Giovanni Volpe.

AI:n Smarttrap är byggd med öppen källkod och utformad för att fungera som en gemensam plattform för branschen. Allteftersom den smarta mikroskopin mognar kommer AI-plattformar som denna att förändra laboratorierna på samma sätt som automatiseringen förändrade tillverkningsindustrin.

"Våra studier kommer att utökas drastiskt"

− Vi är glada att ha varit del av den här studien och kommer under hösten ha ett identiskt instrument i vårt labb vilket kommer göra att våra studier av struktur och dynamik hos RNA och DNA kommer kunna utökas drastiskt, säger Fredrik Westerlund, professor på institutionen för life sciences vid Chalmers.

Tillsammans med Marcus Wilhelmsson, professor på institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers, har han bidragit till projektet med biofysikalisk expertis i de delar av studien som handlar om DNA och RNA.

− Jag är stolt och mycket nöjd över detta samarbete och ser med spänning fram emot att se hur till exempel läkemedelsindustrin kommer kunna använda detta för sin forskning och utveckling inom området för RNA-terapier, säger Marcus Wilhelmsson.

Läs den vetenskapliga artikeln i Nature Methods

• SmartTrap: Automated Precision Experiments with Optical Tweezers

Mer om Chalmersforskarna i projektet

• Fredrik Westerlunds forskningsgrupp

• Marcus Wilhelmssons forskningsgrupp

Kontakt

Taggar:

Aktuellt

Kontakt