中国科大算法辅助的针尖增强拉曼显微成像实现单碱基精度识别

　　近日，中国迷信技能年夜学单份子迷信团队的董振超研究小组正在单链DNA份子布局表征范畴取患上重要进展，将婚配算法与贝叶斯优化联合到针尖加强拉曼光谱（TERS）阐发中，完成对长链单个DNA份子的无标志布局辨认与成像（图1），为高辨别无标志DNA布局表征供给了新的思绪以及路子。该结果于9月25日正在学术期刊《JACS Au》上正在线颁发。

图1. 机械进修帮助TERS辨认长链DNA份子内单个碱基布局的艺术衬着图（AI帮助天生）

　　传统的高通量测序或布局表征要领常依赖标志、扩增或高温、结晶前提，可能迷失份子本征的空间取向以及构型信息。TERS技能可供给无标志的高化学敏理性的亚纳米空间辨别才能，最近几年来作为一种无标志要领正在单份子化学布局成像方面揭示出伟大后劲。但此前该技能仅能对极短的单链DNA份子举行道理性演示，对长链DNA份子的准确布局阐发仍面对伟大应战，这首要是由于两个方面的缘故原由：一是长链DNA的热波动性以及布局柔性使实在验制备以及丈量极为坚苦；二是实践上缺乏可间接计较含数万个原子的长链DNA份子拉曼光谱的摹拟要领。

图2. 算法流程图

　　针对这些应战，研究团队立异性地将机械进修等算法深度融入到TERS光谱阐发中，开发了一套高效的“算法-试验”协同阐发计谋（图2）：起首开发了一种婚配算法，经由过程提取短链DNA中各单位（包含四种碱基、磷酸基团以及戊糖）的拉曼极化率张量并哄骗图婚配与扭转对齐计谋来婚配到长链DNA份子布局中，完成了对长链DNA的TERS光谱以及空间成像图案的疾速摹拟。该算法巧妙绕过了传统量子化学摹拟的伟大计较本钱，将计较时间庞大度从O(N³)三次方依赖瓜葛升高至O(N⟡)二次方依赖瓜葛，如对含504个核苷酸、16130个原子的病毒DNA片断（5W7G），新要领仅需约136秒便可实现片断TERS光谱的疾速计较，而传统DFT则需230余年。正在此根蒂根基上，团队进一步开发告终构重修计谋，以试验丈量的STM图象以及位点依赖的TERS光谱指纹作为初始基团位置信息的参考，哄骗贝叶斯算法摹拟光谱，并将实践与试验光谱的相似度作为绳尺优化基团取向，经由过程迭代终极完成对长链单根DNA模子系统单碱基级另外构型布局肯定。

图3. A₆₀与(AAACCC)₁₀长链DNA份子的试验以及实践成果比照

　　团队正在采纳短链DNA份子验证该算法的准确性以及有用性的根蒂根基之上，以60个碱基构成的A₆₀以及(AAACCC)₁₀这两种序列的长链DNA份子作为模子系统，对算法模子举行了进一步的试验验证。起首，正在超高真空（约10^-10Torr）以及液氦温度（约7K）的试验前提下胜利丈量了两种序列份子没有同位点对应的TERS光谱以及高辨别成像，接着哄骗上述算法胜利剖析了对应份子的化学布局，可以或许正在0.6nm的空间辨别率下辨别没有同碱基并辨认其空间取向以及构型差别。经由过程与算法剖析获得的布局对应的实践摹拟TERS成像举行比照，发明两者正在全体特性上有很好的对应性，出格是关于…AAACCC…序列，可以很好地域分碱基A以及碱基C的没有同空间漫衍特性（图3）。

　　该研究冲破了传统DNA表征技能仅能猎取序列信息而迷失布局信息的局限，不只验证了TERS技能正在长链DNA份子布局剖析中的壮大才能，也为卵白质、糖肽复合物等其它庞大生物份子系统的平面布局剖析供给了新思绪。瞻望将来，该技能无望与纳米阵列加工及人工智能联合，成长成为一种新型的无标志生物份子测序技能，为精准药物设计以及基因医治供给技能撑持。

　　朱路遥博士生、韩彧博士为本文配合第一作者。张尧传授、董振超传授是文章的配合通信作者。研究事情获得了国度基金委、科技部、中国迷信院、教诲部、安徽省等单元的撑持。

　　论文链接：https://doi.org/10.1021/jacsau.5c00791