DNA的作用不仅仅是将遗传密码传递给后代。科学家们近20年来已经了解到这种分子可以稳定纳米级银原子簇。其中一些结构会发出明显的红光和绿光，使它们在各种化学和生物传感应用中非常有用。
UCI材料科学与工程助理教授Stacy Copp希望探索这些微小荧光标记的功能是否可以进一步扩展到电磁波谱的近红外范围，从而使生物科学研究人员能够透视活细胞甚至几厘米的生物组织，为增强疾病检测和治疗方法打开大门。
她说:“将DNA稳定的银纳米团簇的荧光扩展到近红外区域的潜力尚未被充分利用。”“这一点很有趣，因为我们的生物组织和液体对近红外光的透明度要比可见光高得多。”
科普表示，科学家和工程师一直在寻找扫描身体组织的新方法，以避免X射线的突变副作用，或者让病人摄入放射性核素来检测肿瘤。她说:“使用无创、无害的近红外光(基本上就是热)是令人兴奋的，原因有很多。”“但其中一个最大的挑战是，我们还没有真正好的、无毒的荧光团——能够发射这种近红外光的分子或纳米颗粒。”
自古以来，人们就已经意识到银具有抗菌能力。这种元素可以杀死细菌，但对大多数哺乳动物细胞无害；甚至被用来去除人类穿的一些织物上的气味。Copp表示，最近的研究表明，DNA稳定的银纳米团簇具有较低的细胞毒性，并且DNA具有内在的生物相容性，这使得这些化合物在临床环境中可能是安全的。
与许多与DNA相关的事物一样，序列排列的数量几乎令人难以理解，其中只有一小部分具有研究人员所寻求的荧光特性。在加州大学圣巴巴拉分校的时候，Copp是一个团队的成员，他们设计了一种仪器，可以一次快速扫描数百个银纳米团簇，看看它们是否有近红外发射。有了这个工具，科学家们已经能够找到大量以前隐藏的候选序列。
在她位于UCI的苏珊和亨利·塞缪尔利跨学科科学与工程大楼的实验室里，Copp与她的第一个博士生彼得·马斯特拉科(Peter Mastracco)一起启动了一个项目，利用将DNA序列与纳米簇的颜色联系起来的新数据，Copp说她把纳米簇比作“纳米簇基因组”。她要求马斯特拉科公司开发一种机器学习方法，可以帮助他们分析大量的实验数据，得出新的DNA序列——能够在实验室中创建的序列——从而开放近红外区域。
在项目早期，马斯特拉科发现了一篇研究论文，展示了DNA稳定银纳米团簇的X射线晶体结构。“它确实给了我们一幅所有银原子在哪里以及DNA如何围绕纳米团簇折叠的图片，”Copp说。“他发现了一些我以前没有注意到的东西，那就是DNA以一种特殊的方式围绕纳米团簇折叠。”
研究人员假设，如果他们将这种折叠特性的信息编码到他们的机器学习模型中，他们可能能够预测纳米团簇的荧光颜色。
马斯特拉科在科普小组接受的博士培训之一就是成为一名导师。2020年夏天，也就是COVID-19大流行的早期高峰，他与乔什·埃文斯(Josh Evans)配对，后者是查菲学院(Chaffey College)的一名学生，查菲学院是一所社区学院，校区位于加州内陆帝国(Inland Empire)。
根据Copp的说法，Evans设计了一种创造性的方法来更清楚地解释Mastracco模型的结果。“其中一些算法可以像黑盒子一样运行，”Copp说。“你向机器学习算法提供一组数据，它会学习数据中的趋势，这有助于你做出预测。但打开盖子想知道盒子里到底发生了什么真的很难。”
Evans通过使用“特征选择工具”帮助解决了这个问题，该工具允许团队确定DNA序列的哪一部分与纳米团簇的不同荧光颜色相关。
Copp表示，这一突破对马斯特拉科作为主要作者发表在《ACS纳米》杂志上的一篇研究论文做出了重要贡献。
Copp研究小组在荧光纳米团簇方面的工作仍在迅速进行。他们最近在《美国化学学会杂志》上发表了关于该主题的第二篇论文，这篇论文由博士生安娜·冈萨雷斯·罗塞尔(Anna Gonzalez Rosell)领导，她是UCI本科生合著者Nery Arevalos的导师。
Copp说:“这篇论文代表了在开发真正具有生物相容性的近红外成像纳米簇方面的关键进展。”“我的几个学生参与了这些论文的研究，本科生的指导在这些项目中发挥了至关重要的作用。在提供研究成果和帮助年轻科学家实现目标方面，这种安排非常有效。”
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希望本篇文章《利用机器学习揭示DNA稳定的银纳米团簇特性》能对你有所帮助！
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