Ученые обучили нейросети успешно выявлять повреждения ДНК под действием УФ-излучения

| 743

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Университета химии и технологии Праги провели серию экспериментов, доказавших, что искусственные нейросети можно успешно использовать для точной идентификации повреждений ДНК, полученных под действием УФ-излучения. В перспективе этот подход можно успешно использовать в современной медицинской диагностике. Статья, посвященная результатам исследования, опубликована в журнале Biosensors and Bioelectronics (Q1, 9.518).

Фото: Принципиальная схема работы SERS-сенсора в сочетании с нейросетью для анализа повреждений ДНК

Так, по словам авторов статьи, в настоящее время практически не изученным остается то, как именно УФ-облучение повреждает структуру ДНК, особенно при коротких временах облучения. При этом известно, что действие ультрафиолета может вызывать онкологические заболевания. Однако незначительные изменения в структуре самой ДНК классическими методами обнаружить почти невозможно.

«В статье "Распознавание фотоиндуцируемых повреждений ДНК с использованием поверхностно усиленной Рамановской спектроскопии в сочетании с искусственными нейросетями" мы предлагаем альтернативу известным методикам. Так, для исследования использовались модельные образцы —  олигонуклеотиды различных последовательностей. Часть из них подвергали облучению ультрафиолетом в течение разного времени. Затем мы использовали разработанные авторским коллективом высокочувствительные сенсорные системы на основе плазмон-поляритонных золотых решеток. На поверхность сенсора иммобилизовывались олигонуклеотиды, которые, в дальнейшем, подвергались гибридизации с облученными олигонуклеотидами. Затем изменения в структуре ДНК анализировались с помощью рамановского спектрометра», — рассказывает один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Он добавляет, что полученные спектры использовались для обучения искусственных нейросетей. При этом анализ и интерпретация спектров олигонуклеотидных последовательностей представляет собой довольно сложную задачу, особенно если они проводятся массово и с высоким уровнем статистической обработки.

«Использование нейросетей позволило нам избежать математической обработки огромного количества спектров и необходимости оптимизации самой процедуры измерения. Кроме того, нейросети не только выявляют сами повреждения, но и очень эффективно предсказывают изменения в структуре ДНК, вызванные УФ-излучением.

Более того, изменения, которые незаметны при использовании традиционных методов, с высокой точностью идентифицируются нейросетью в сочетании с поверхностно усиленной Рамановской спектроскопией», — поясняет Павел Постников.

Отметим, исследователи считают, что нейросети и Рамановскую спектроскопию, в перспективе, можно успешно использовать для медицинской диагностики. Причем данную методику в дальнейшем можно совершенствовать.

«Анализ биологических объектов методами Рамановской спектроскопии до сих пор является крайне сложной, но интересной и перспективной задачей. И в этом плане повреждение ДНК под действием УФ-излучения являлось для нас крайне интересной моделью. Данная концепция, позволяющая выявлять минимальные изменения в структуре ДНК, может быть расширена и усовершенствована», — подчеркивает политехник, уточняя, что исследования поддержаны грантом по Программе повышения конкурентоспособности ТПУ и проводятся под научным руководством профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Марины Трусовой.

Напомним, в Исследовательской школе химических и биомедицинских технологий ТПУ реализуется более десяти различных направлений, посвященных разработке гибридных материалов, сочетающих в себе разные свойства. Одно из них — создание высокочувствительных сенсорных систем. Сенсоры — это многослойная конструкция: в их основе тонкая волнообразная золотая пленка размером 1x0,5 см, которая модифицируется специальными органическими соединениями — солями диазония.

Благодаря разработкам исследователей ТПУ, с помощью сенсора можно обнаруживать токсичные вещества, тяжелые металлы, а также некоторые заболевания и дефекты в структуре ДНК. Преимущества «гибридных» сенсоров — сверхчувствительность, скорость проведения анализа и возможность проведения анализа на месте отбора пробы.