DNA的作用不仅仅是将遗传密码从一代传递到下一代。近20年来，科学家们已经知道该分子具有稳定纳米级银原子簇的能力。其中一些结构发出明显的红光和绿光，使其可用于各种化学和生物传感应用。

UCI材料科学与工程系助理教授StacyCopp希望了解这些微小荧光标记的功能是否可以进一步延伸(进入电磁波谱的近红外范围)，从而使生物科学研究人员能够透视生命体。细胞甚至厘米的生物组织，为增强疾病检测和治疗方法打开了大门。

“通过DNA稳定的银纳米团簇将荧光扩展到近红外区域具有尚未开发的潜力，”她说。“这之所以如此有趣，是因为我们的生物组织和液体对近红外光的透明度比对可见光的透明度要高得多。”

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，或让患者摄入放射性核素来检测肿瘤。“使用无创、无害的近红外光(基本上是热量)会令人兴奋的原因有很多，”她说。“但最大的挑战之一是我们实际上没有良好的、无毒的荧光团——发射近红外光的分子或纳米颗粒。”

人们自古以来就意识到银的抗菌能力。该元素可以杀死细菌，但对大多数哺乳动物细胞无害。它甚至被用来消除人类穿着的某些织物中的异味。Copp表示，最近的研究表明DNA稳定的银纳米团簇具有较低的细胞毒性，并且DNA本质上具有生物相容性，这使得这些化合物在临床环境中使用可能安全。

与许多与DNA相关的事物一样，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所寻求的荧光特性。在加州大学圣巴巴拉分校期间，科普所在的团队设计了一种仪器，可以一次快速扫描数百个银纳米团簇，看看它们是否具有近红外发射。通过这个工具，科学家们已经能够找到大量以前隐藏的候选序列。

在UCI苏珊和亨利·萨穆埃利跨学科科学与工程大楼的实验室里，科普与她的第一个博士学位彼得·马斯特拉科(PeterMastracco)启动了一个项目。学生利用将DNA序列与纳米簇颜色联系起来的新数据，科普说她将其比作“纳米簇基因组”。她要求Mastracco开发一种机器学习方法，帮助他们分析大量实验数据，得出新颖的DNA序列(能够在实验室中创建)，从而打开近红外区域的通道。

在该项目的早期，Mastracco发现了一篇研究论文，展示了DNA稳定的银纳米团簇的X射线晶体结构。“它确实让我们了解了所有银原子的位置以及DNA如何围绕纳米团簇折叠，”Copp说。“他发现了一些我以前没有注意到的东西，那就是DNA以一种特殊的方式围绕纳米团簇折叠。”

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机器学习模型中，他们也许能够预测纳米团簇的荧光颜色。

Mastracco博士的一部分在科普小组接受的培训是为了成为一名导师。2020年夏天，即COVID-19大流行的早期高峰期，他与查菲学院(ChaffeyCollege)的学生乔什·埃文斯(JoshEvans)相匹配，查菲学院是一所社区学院，校区位于加州内陆帝国。

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马斯特拉科模型的结果。“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，它会学习该数据的趋势，这有助于你做出预测。但打开盖子找出盒子里发生的事情确实很难。”

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簇的不同荧光颜色相关。

Copp表示，这一突破成为对Mastracco作为主要作者的一篇研究论文的重要贡献，该论文发表在《ACSNano》杂志上。

Copp研究小组关于荧光纳米团簇的工作仍在快速进行。他们最近在《美国化学会杂志》上发表了关于该主题的第二篇论文，这篇论文由博士领导。学生安娜·冈萨雷斯·罗塞尔(AnnaGonzalezRosell)，她是UCI本科生合著者内里·阿雷瓦洛斯(NeryArevalos)的导师。

“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团簇的关键进展，”科普说。“我的几个学生参与了这些论文，本科生导师在这些项目中发挥了至关重要的作用。这种安排在交付研究成果和帮助年轻科学家实现目标方面效果非常好。”

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