Pembelajaran Mesin Bertemu Nanoteknologi: Terobosan Caltech dalam Spektrometri Massa
Ilmuwan Caltech telah memperkenalkan teknik revolusioner yang digerakkan oleh pembelajaran mesin untuk mengukur massa partikel individu secara akurat menggunakan teknologi canggih skala nano perangkat.
Metode ini secara dramatis dapat meningkatkan pemahaman kita tentang proteom dengan memungkinkan pengukuran massal protein dalam bentuk aslinya, sehingga menawarkan wawasan baru mengenai proses biologis dan mekanisme penyakit.
Para ilmuwan Caltech telah mengembangkan metode berbasis pembelajaran mesin yang memungkinkan pengukuran partikel dan molekul secara tepat menggunakan perangkat berskala nano yang canggih. Terobosan ini dapat mengarah pada penggunaan berbagai perangkat untuk pengukuran massa, yang merupakan kunci dalam mengidentifikasi protein. Ia juga memiliki potensi untuk memetakan proteom lengkap—seluruh rangkaian protein dalam suatu organisme.
Protein sangat penting bagi kehidupan, mendorong hampir semua proses biologis. Memahami protein mana yang diproduksi, di mana lokasinya, dan berapa jumlahnya dapat mengungkap informasi penting tentang kesehatan suatu organisme, memberikan petunjuk tentang penyakit, dan menyarankan pendekatan pengobatan baru. Namun, metode saat ini belum memungkinkan karakterisasi proteom secara lengkap.
“Kita sekarang berbicara tentang spektrometri massa pada tingkat molekul tunggal; kemampuan untuk melihat keseluruhan protein secara real time tanpa memotongnya,” kata Michael Roukes, Profesor Fisika, Fisika Terapan, dan Bioteknologi Frank J. Roshek dan penulis makalah di jurnal Komunikasi Alam yang menggambarkan teknik baru. “Jika kita memiliki teknik molekul tunggal yang memiliki keluaran cukup tinggi sehingga kita dapat mengukur jutaan protein dalam waktu yang wajar, maka kita sebenarnya dapat memahami proteom organisme secara lengkap, termasuk manusia.”
Kekuatan Spektrometri Massa
Spektrometri massa adalah alat analisis umum yang digunakan para ilmuwan untuk melakukan segala macam penyelidikan molekuler. Mulailah dengan sampel misterius, ionisasikan (yaitu, beri muatan dengan melepaskan satu atau lebih elektron), dan kirimkan dengan kecepatan tinggi sepanjang jalur tertentu. Kemudian gunakan medan magnet atau listrik untuk mendorong ion-ion tersebut dari samping dan lihat seberapa jauh mereka bergerak. Semakin ringan dan semakin bermuatan positif ion-ion tersebut, semakin besar pula ion-ion tersebut dibelokkan; ini memberikan cara untuk mengukur massa dan muatan masing-masing ion yang ada. Dengan informasi tersebut, peneliti dapat mencoba memecahkan susunan kimiawi sampel.
Spektrometri massa digunakan untuk berbagai tujuan, termasuk analisis elemen jejak dalam forensik, deteksi biomarker penyakit, dan analisis residu pestisida. Namun langkah ionisasi awal tidak ideal untuk semua sampel, terutama sampel biologis yang dapat diubah oleh proses tersebut.
Segalanya menjadi lebih rumit ketika sampel menjadi sangat kecil—misalnya, ketika para ilmuwan ingin menentukan massa suatu protein. Selama dua dekade terakhir, dengan perkembangan perangkat skala nano canggih yang disebut sistem nanoelektromekanis (NEMS), jenis spektrometri massa dapat dilakukan yang tidak memerlukan sampel untuk diionisasi terlebih dahulu. Hal ini menyebabkan dilakukannya pengukuran rutin massa molekul kecil secara real-time. Dengan pendekatan ini, para ilmuwan tidak perlu membuat tebakan terbaik saat menafsirkan bahan kimia mana jenis kemungkinan besar ditemukan dalam sampel. Namun, metode ini mengesampingkan penggunaan perangkat NEMS kompleks tertentu untuk spektrometri massa.
Kemajuan dalam Perangkat NEMS
Spektrometri massa NEMS biasanya dilakukan dengan perangkat silikon yang dapat Anda bayangkan sebagai berkas kecil yang ditambatkan di kedua ujungnya. Ketika pancaran sinar dipukul, ia beresonansi seperti senar gitar dan bergerak naik turun dengan bentuk mode tertentu yang terjadi pada frekuensi berbeda.
Jika sampel ditempatkan pada berkas seperti itu, frekuensi masing-masing mode getaran berkas akan berubah. “Dari perubahan frekuensi ini, Anda dapat menyimpulkan massa sampel,” kata John Sader, profesor riset dirgantara dan fisika terapan Caltech dan penulis utama makalah baru ini. “Tetapi untuk melakukan itu, Anda perlu mengetahui bentuk setiap mode. Itulah inti dari semua pengukuran saat ini—Anda perlu mengetahui bagaimana perangkat ini bergetar.”
Dengan perangkat NEMS terbaru, tidak selalu mungkin untuk menentukan bentuk mode yang tepat. Hal ini karena, pada skala nano, terdapat variasi atau ketidaksempurnaan antar perangkat yang dapat sedikit mengubah bentuk mode. Dan perangkat NEMS canggih yang dikembangkan para peneliti untuk mempelajari fisika dasar alam kuantum memiliki mode tiga dimensi yang sangat rumit yang frekuensinya sangat dekat satu sama lain. “Anda tidak bisa begitu saja menghitung bentuk mode dan frekuensinya menggunakan teori dan berasumsi bahwa hal ini berlaku selama pengukuran,” kata Sader.
Komplikasi lebih lanjut adalah lokasi tepat di mana sampel dijatuhkan dalam perangkat mempengaruhi pengukuran frekuensi pancaran sinar. Memikirkan kembali perangkat pancaran sederhana itu, jika sampel ditempatkan dekat dengan salah satu ujung yang ditambatkan, frekuensinya tidak akan berubah sebanyak jika ditempatkan di dekat pusat, misalnya, di mana amplitudo getaran kemungkinan besar lebih besar. Namun dengan perangkat berukuran kira-kira satu mikron kali satu mikron, tidak mungkin memvisualisasikan penempatan sampel secara tepat.
Massa Molekul Sidik Jari
Sader, Roukes, dan rekan-rekan mereka telah mengembangkan teknik baru yang mereka sebut “spektrometri massa nanoelektromekanis sidik jari,” yang mengatasi masalah ini.
Mengikuti metode ini, para peneliti secara acak menempatkan satu partikel pada perangkat NEMS dalam kondisi vakum sangat tinggi dan suhu sangat rendah. Secara real-time, mereka mengukur bagaimana frekuensi beberapa mode perangkat berubah seiring dengan penempatan tersebut. Hal ini memungkinkan mereka untuk membuat vektor berdimensi tinggi yang mewakili perubahan frekuensi tersebut, dengan satu dimensi vektor untuk setiap mode. Dengan melakukan hal ini berulang kali pada partikel yang ditempatkan di berbagai lokasi acak, mereka membangun perpustakaan vektor untuk perangkat yang digunakan untuk melatih perangkat lunak pembelajaran mesin.
Ternyata setiap vektor adalah semacam sidik jari. Ia memiliki bentuk—atau arah—yang dapat diidentifikasi dan berubah secara unik bergantung pada tempat partikel mendarat.
“Jika saya mengambil sebuah partikel dengan massa yang tidak diketahui dan menempatkannya di mana saja pada perangkat NEMS—saya tidak tahu di mana partikel tersebut mendarat; sebenarnya, saya tidak terlalu peduli—dan mengukur frekuensi mode getaran, itu akan memberi saya sebuah vektor yang menunjuk ke arah tertentu,” jelas Sader. “Jika saya membandingkannya dengan semua vektor di database dan menemukan vektor yang paling sejajar dengannya, perbandingan itu akan memberi saya massa partikel yang tidak diketahui. Ini hanyalah rasio besaran kedua vektor.”
Roukes dan Sader mengatakan teknik sidik jari ini bisa bekerja pada perangkat apa pun. Tim Caltech secara teoritis menganalisis perangkat NEMS kristal fonik yang dikembangkan di laboratorium rekan mereka, fisikawan Stanford Amir Safavi-Naeni, untuk penelitian ini. Perangkat NEMS canggih ini secara efektif memerangkap getaran sehingga pada frekuensi tertentu getaran tersebut terus “berdering” dalam waktu lama, sehingga memberikan banyak waktu bagi peneliti untuk mengumpulkan pengukuran berkualitas. Metode sidik jari memungkinkan pengukuran spektrometri massa dengan perangkat canggih ini. Sebagai persiapan, tim menggunakan perangkat alternatif untuk mengukur metode sidik jari mereka. Ini termasuk mengukur massa partikel individu GroEL, protein pendamping molekuler yang membantu pelipatan protein yang tepat di dalam sel.
Roukes mencatat bahwa untuk kompleks protein besar dan protein membran seperti GroEL, metode standar spektrometri massa bermasalah karena beberapa alasan. Pertama, metode tersebut memberikan total massa dan muatan, dan pengukuran tersebut tidak dapat mengidentifikasi satu spesies secara unik. Untuk kompleks sebesar itu, terdapat banyak kandidat yang mungkin. “Anda perlu memperjelas hal itu dengan cara tertentu,” kata Roukes. “Metode disambiguasi yang paling utama pada saat ini adalah mengambil teka-teki dan memotongnya menjadi potongan-potongan berukuran antara 3 dan 20. asam amino panjang.” Kemudian, katanya, Anda akan menggunakan pengenalan pola untuk mengidentifikasi molekul induk dari semua fragmen anak. “Tetapi Anda tidak lagi memiliki pengenal unik tentang konfigurasi atau konformasi benda aslinya karena Anda menghancurkannya saat proses pemotongan.”
Teknik sidik jari baru, Roukes mencatat, “sedang menuju ke arah alternatif yang disebut spektrometri massa molekul tunggal asli, di mana Anda melihat protein besar dan kompleks protein, satu per satu, dalam bentuk aslinya tanpa memotongnya.”
Referensi: “Spektrometri massa nanoelektromekanis sidik jari berbasis data” oleh John E. Sader, Alfredo Gomez, Adam P. Neumann, Alex Nunn dan Michael L. Roukes, 22 Oktober 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-51733-8
Penulis tambahan makalah ini adalah Alfredo Gomez, seorang mahasiswa pascasarjana di Carnegie Mellon University yang merupakan Schmidt Academy for Software Engineering Scholar di Caltech selama proyek ini; Adam P. Neumann (PhD '20), mantan mahasiswa pascasarjana di lab Roukes di Caltech; dan Alex Nunn, seorang mahasiswa pascasarjana fisika terapan di Caltech yang menyelesaikan pekerjaannya sebagai ilmuwan komputasi junior di Institut tersebut. Pekerjaan ini didukung oleh Wellcome Leap Foundation melalui program Delta Tissue.
