ナノの世界を理解するためにAIを使う(Using AI to understand the nano world)

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2023-10-19 ミュンヘン大学(LMU)

◆研究者は、ナノメートルスケールで個々の分子(たとえば、タンパク質やDNA)を観察し、詳細に測定できる現代の高解像度技術を利用しています。これにより、生体分子の構造とダイナミクスを理解するためにこれらの分子に蛍光色素を結合し、時間経過とともに変化を追跡することが可能です。しかし、データの評価と解釈が非常に手間がかかり、時間がかかり、誤解のリスクが高いため、研究者は機械学習を使用したDeep-LASIと呼ばれるソフトウェアパッケージを開発しました。
◆このソフトウェアは、データを自動的に評価し、信頼性を向上させ、迅速に情報を抽出します。 Deep-LASIは深層学習を活用し、ニューラルネットワークを使用してデータの解析を自動化し、効率的に行います。
◆その結果、非常に高い信頼性と精度で作業し、競合ソフトウェアや人間を上回ります。ニューラルネットワークはデータ内の複雑なパターンを認識し、人間よりも迅速に分析でき、偏りが少ないため、精度が向上します。

<関連情報>

Deep-LASI:深層学習支援によるマルチカラーDNA折り紙構造の単一分子イメージング解析 Deep-LASI: deep-learning assisted, single-molecule imaging analysis of multi-color DNA origami structures

Simon Wanninger,Pooyeh Asadiatouei,Johann Bohlen,Clemens-Bässem Salem,Philip Tinnefeld,Evelyn Ploetz & Don C. Lamb
Nature Communications  Published:17 October 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-42272-9

ナノの世界を理解するためにAIを使う(Using AI to understand the nano world)

Abstract

Single-molecule experiments have changed the way we explore the physical world, yet data analysis remains time-consuming and prone to human bias. Here, we introduce Deep-LASI (Deep-Learning Assisted Single-molecule Imaging analysis), a software suite powered by deep neural networks to rapidly analyze single-, two- and three-color single-molecule data, especially from single-molecule Förster Resonance Energy Transfer (smFRET) experiments. Deep-LASI automatically sorts recorded traces, determines FRET correction factors and classifies the state transitions of dynamic traces all in ~20–100 ms per trajectory. We benchmarked Deep-LASI using ground truth simulations as well as experimental data analyzed manually by an expert user and compared the results with a conventional Hidden Markov Model analysis. We illustrate the capabilities of the technique using a highly tunable L-shaped DNA origami structure and use Deep-LASI to perform titrations, analyze protein conformational dynamics and demonstrate its versatility for analyzing both total internal reflection fluorescence microscopy and confocal smFRET data.

細胞遺伝子工学
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