通过指导发现

DNA可以做的不仅仅是将遗传密码从一代传递到下一代。近20年来，科学家们已经知道这种分子能够稳定纳米大小的银原子簇。其中一些结构以红色和绿色明显发光，使它们在各种化学和生物传感应用中有用。

UCI材料科学与工程助理教授Stacy Copp想看看这些微小荧光标记物的能力是否可以进一步扩展到电磁光谱的近红外范围，使生物科学研究人员能够穿透活细胞甚至厘米的生物组织，为增强的疾病检测和治疗方法打开大门。

“通过DNA稳定的银纳米簇将荧光扩展到近红外区域还有未开发的潜力，”她说。“之所以如此有趣，是因为我们的生物组织和体液对近红外光比对可见光更透明。

科普说，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，或者让患者摄入放射性核素来检测肿瘤。“有很多原因可以解释为什么使用非侵入性，无害的近红外光（基本上是热）会令人兴奋，”她说。“但最大的挑战之一是，我们并没有真正好的，无毒的荧光团 – 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的抗菌能力：该元素杀死细菌，但对大多数哺乳动物细胞是良性的;它甚至被用来对抗人类穿着的一些织物中的气味。Copp说，最近的研究表明，DNA稳定的银纳米簇具有低细胞毒性，并且DNA具有固有的生物相容性 – 这使得这些化合物在临床环境中使用可能是安全的。

与许多与DNA相关的事情一样，序列排列的数量几乎难以理解，其中只有一小部分具有研究人员寻求的荧光特性。在加州大学圣巴巴拉分校期间，科普是一个团队的一员，该团队设计了一种仪器，可以一次快速扫描数百个银纳米簇，以查看它们是否具有近红外发射。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UCI的Susan和Henry Samueli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Peter Mastracco发起了一个项目，以利用将DNA序列与纳米簇的颜色联系起来的新数据，Copp说她将其比作“纳米簇基因组”。她要求Mastracco开发一种机器学习方法，帮助他们分析大量的实验数据，以提出新的DNA序列 – 能够在实验室中创建的序列 – 开放近红外区域的访问。

在项目早期，Mastracco发现了一篇研究论文，显示了DNA稳定的银纳米簇的X射线晶体结构。“它从字面上给了我们一张关于所有银原子在哪里以及DNA如何围绕纳米团簇折叠的图片，”科普说。“他发现了一些我以前没有注意到的东西，那就是DNA以一种特殊的方式折叠在纳米簇周围。

研究人员假设，如果他们将有关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。

Mastracco在Copp小组接受的博士培训的一部分是成为导师。在 2020 年夏天——COVID-19 大流行的早期高峰——他与查菲学院的学生乔什·埃文斯（Josh Evans）配对，查菲学院是一所在加州内陆帝国设有校区的社区学院。

“鉴于大流行的封锁情况，我的期望很低，”科普说。“我认为，如果乔希在夏天接触了一些编程，彼得有一些指导经验，那将是一个很好的结果。

“但事实证明，乔希非常有动力和独立。在他计划与我们合作的10周计划中，Josh自学了Python，并在Peter的指导下开始研究机器学习模型。

埃文斯非常喜欢这项研究项目，以至于10周变成了一年半。

根据科普的说法，埃文斯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匣子一样运行，”科普说。“你向机器学习算法提供一个数据集，它会学习这些数据中的趋势，这有助于你做出预测。但真的很难打开盖子找出盒子里发生了什么。

埃文斯通过使用“特征选择工具”帮助解决了这个问题，该工具使团队能够确定DNA序列的哪一部分与纳米团簇的不同荧光颜色相关。

科普说，这一突破成为对Mastracco作为主要作者的研究论文的重要贡献，该论文发表在美国化学学会期刊 ACS Nano上。

“我只是惊讶于乔希在这个项目中的雄心勃勃和自我激励，而他一直在上社区大学并全职工作以支持他的教育，”科普说。“我也很高兴彼得在导师角色中蓬勃发展。当他指导年轻学生完成整个过程时，他似乎作为一名研究人员工作得最好——这是一个对他未来的职业生涯很有帮助的特征。

Copp研究小组关于荧光纳米簇的工作仍在快速进行。他们最近在 《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上发表了第二篇论文，这篇论文由博士生安娜·冈萨雷斯·罗塞尔（Anna Gonzalez Rosell）领导，她指导了UCI本科生合著者Nery Arevalos。

“这篇论文代表了开发用于近红外成像的真正生物相容性纳米簇的关键进展，”Copp说。“我的几个学生参与了这些论文的工作，本科生的指导在这些项目中发挥了至关重要的作用。这种安排在提供研究成果和帮助年轻科学家实现目标方面非常有效。

如果您想了解更多关于支持UCI的这项或其他活动的信息，请访问 https://brilliantfuture.uci.edu 的辉煌未来网站。“辉煌未来”活动于2019年10月4日公开启动，旨在提高对UCI的认识和支持。通过吸引75，000名校友并获得20亿美元的慈善投资，UCI寻求在学生成功，健康和保健，研究等方面达到新的卓越高度。亨利·萨缪利工程学院在竞选活动的成功中起着至关重要的作用。要了解更多信息，请访问 https://brilliantfuture.uci.edu/the-henry-samueli-school-of-engineering。