L'intelligence artificielle explore le monde biomoléculaire

Le monde microscopique des biomolécules est riche en interactions entre une pléthore d’agents différents, tels que des nanomachines complexes (protéines), des vaisseaux changeant de forme (complexes lipidiques), des chaînes d’informations vitales (ADN) et des combustibles énergétiques (glucides). Il existe une myriade d’interactions et de rencontres possibles permettant aux biomolécules de définir la symphonie de la vie. Une orchestration parfaite rend possible des merveilles physiologiques telles que la vision et le goût, mais de légères dissonances peuvent s’amplifier en d’horribles cacophonies conduisant à des pathologies telles que le cancer et la neurodégénérescence. « Comprendre ce monde microscopique et être capable de différencier les protéines, les lipides, les acides nucléiques et les glucides sans perturber leurs interactions est d’une importance fondamentale pour comprendre les processus vitaux et les mécanismes pathologiques », déclare Hatice Altug, directrice du laboratoire de systèmes bionanophotoniques de la faculté des sciences et techniques de l’ingénieur.

La mélodie de chaque molécule

Des scientifiques de l’EPFL ont développé un nouveau biocapteur permettant de surveiller toutes les principales classes de biomolécules du nanomonde sans le perturber. Leur biocapteur innovant utilise la nanotechnologie, les métasurfaces, la lumière infrarouge et l’intelligence artificielle (IA). Leur recherche est publiée dans Advanced Materials.

La lumière, et plus précisément la lumière infrarouge, est au cœur de la technologie introduite. L’homme ne peut pas voir la lumière infrarouge, qui se situe au-delà du spectre de la lumière visible, du bleu au rouge. Cependant, nous pouvons la ressentir sous forme de chaleur dans notre corps, car nos molécules vibrent sous l’excitation de la lumière infrarouge.

Les molécules sont constituées d’atomes liés les uns aux autres et, en fonction de la masse des atomes, ainsi que de l’arrangement et de la rigidité de leurs liaisons, les molécules vibrent à des fréquences spécifiques, comme une corde d’instrument de musique qui vibre à des fréquences spécifiques en fonction de la longueur de la corde. Ces fréquences de résonance sont propres à chaque molécule et se situent principalement dans la gamme de fréquences infrarouges du spectre électromagnétique. « On peut concevoir que chaque molécule possède sa propre “mélodie” caractéristique si l’on imagine des fréquences audios au lieu des fréquences infrarouges. Cependant, il est très difficile d’écouter ces mélodies, car, sans amplification, elles ne sont que des chuchotements dans une mer de sons. Pour aggraver les choses, leurs mélodies peuvent présenter des motifs très similaires, ce qui rend difficile de les distinguer les unes des autres », explique Aurélian John-Herpin, assistant-doctorant au sein du laboratoire de systèmes bionanophotoniques et premier auteur de la publication.

Métasurfaces et intelligence artificielle

Les chercheurs ont résolu ces deux problèmes en utilisant les métasurfaces et l’intelligence artificielle. Les métasurfaces sont des matériaux fabriqués par l’homme et dotés de capacités exceptionnelles de manipulation de la lumière à l’échelle nanométrique, ce qui leur permet de remplir des fonctions au-delà de ce que l’on peut par ailleurs observer dans la nature. Ici, leurs méta-atomes fabriqués à partir de barres d’or nanométriques agissent comme des amplificateurs des interactions lumière-matière en exploitant les excitations plasmoniques résultant des oscillations collectives des électrons libres dans les métaux. « Dans notre analogie, ces interactions amplifiées rendent les mélodies des molécules chuchotées plus “audibles” », indique Aurélian John-Herpin.

L’intelligence artificielle est un outil puissant qui peut être alimenté avec plus de données que les humains ne peuvent traiter dans le même laps de temps et développer rapidement la capacité de reconnaître des modèles complexes à partir des données. « L’intelligence artificielle peut être imaginée comme un musicien débutant qui, après avoir écouté les différentes mélodies amplifiées, développe une oreille parfaite au bout de quelques minutes et peut distinguer les mélodies, même lorsqu’elles sont jouées ensemble, comme dans un orchestre composé de plusieurs instruments simultanément », développe l’assistant-doctorant.

Biocapteur premier en son genre

Lorsque les métasurfaces infrarouges sont dotées d’une intelligence artificielle, le nouveau capteur peut être utilisé pour analyser des systèmes biologiques comportant simultanément plusieurs substances des principales classes de biomolécules et résolvant leurs interactions dynamiques. « Nous avons étudié différentes nanoparticules à partir de vésicules lipidiques. Nous surveillons leur rupture suite à l’injection d’une toxine peptidique, et la libération de la cargaison des nucléotides et des glucides, ainsi que la formation de plaques de bicouches lipidiques sur la métasurface », explique Hatice Altug.

Ce biocapteur premier en son genre, basé sur la métasurface et combiné à l’intelligence artificielle, offre des perspectives pour l’étude et l’élucidation de processus biomoléculaires intrinsèquement complexes tels que la communication intercellulaire par le biais d’exosomes encapsulant des protéines et des acides nucléiques, ou l’interaction d’acides nucléiques/glucides avec des protéines dans la régulation des gènes et la neurodégénération. « Nous pensons que la technologie présentée aura un impact sur les domaines de la biologie, de la bioanalyse et de la pharmacologie, de la recherche fondamentale et du diagnostic des maladies au développement de médicaments », conclut la chercheuse.