Snabbare hantering av optiska pincetter med AI
Genom att lära en AI att använda optiska pincetter har forskare från bland annat Göteborgs universitet och Chalmers tekniska högskola snabbat upp analyserna av livets minsta beståndsdelar. AI-plattformen fångar upp partiklar, utför mätningar och laddar in nya prover, allt utan mänsklig inblandning.
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.
Forskare vid bland annat Göteborgs universitet och Chalmers tekniska högskola har nu utvecklat en AI som kan snabba på hanteringen av optiska pincetter, döpt till Smarttrap.
Nobelprisbelönad teknik
Optiska pincetter använder finfokuserade 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.
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.
Krävande tester
Forskarnas AI eliminerar det här problemet. Genom att kombinera bildanalys med djupinlärning i realtid, specialanpassad elektronik, exakt vätskekonstroll 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 en 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, bedömer Giovanni Volpe.
Vetenskaplig artikel i Nature Methods: SmartTrap: Automated Precision Experiments with Optical Tweezers
Kontakt: Giovanni Volpe, professor vid institutionen för fysik vid Göteborgs universitet, telefon: 076-622 91 37, e-post: giovanni.volpe@physics.gu.se
