Comment appelez-vous une découverte de la science des matériaux qui a été considérablement stimulée par une conférence d'un lauréat du prix Nobel de chimie, microscopie électronique cryogénique utilisée (cryo-EM), et a été poussé plus loin par une thèse de doctorat sur l'apprentissage automatique ?

Recherche typique de Cornell.

Dans un article publié en La nature , une équipe dirigée par Uli Wiesner, le professeur d'ingénierie Spencer T. Olin au Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Cornell, rapporte la découverte de 10 nanomètres, individuel, structures dodécaédriques auto-assemblées - cages en silice à 12 côtés qui pourraient avoir des applications dans l'assemblage de matériaux à méso-échelle, ainsi que le diagnostic médical et la thérapeutique.

Le papier de l'équipe, "Cages inorganiques ultra-petites hautement symétriques dirigées par auto-assemblage de tensioactifs, " a été publié le 20 juin.

Les autres membres de l'équipe comprennent les chercheurs postdoctoraux Kai Ma et Tangi Aubert du groupe Wiesner; Peter Doerschuk, professeur au Département de génie électrique et informatique et à la Meinig School of Biomedical Engineering; et le doctorant Yunye Gong du groupe Doerschuk.

Techniques de la thèse de doctorat de Gong, "Calculer et comprendre des modèles statistiques pour les nano-machines biologiques hétérogènes, " ont été utilisés pour déterminer la forme 3-D des structures de la cage.

"Les gens avaient suggéré que ces nanostructures très complexes seraient des unités structurelles de matériaux en vrac, " Wiesner a dit, "mais personne n'avait jamais identifié ces cages comme des blocs de construction isolés."

Le moyen d'y parvenir, Wiesner a dit :arrêtez la réaction chimique qui produit ces formes dès le début pour voir la structure à sa création. « Cela faisait en effet partie d'un effort continu d'optimisation de la chimie de la silice dans notre groupe, " dit Maman.

Pour les imager, les particules dans l'eau ont été rapidement congelées à des températures cryogéniques, si rapidement qu'au lieu de glace, l'eau devient un solide vitreux. Dans les films vitreux minces, les cages pourraient être imagées à toutes les orientations différentes par cryo-EM. Environ 19, 000 images de particules uniques ont été recueillies dans le cadre d'un grand effort par Ma et d'autres membres du groupe Wiesner.

les algorithmes d'apprentissage automatique de Gong, développé à l'origine pour l'étude des cages protéiques virales, ont été appliqués à des sous-ensembles de ces images, les trier en classes et calculer une reconstruction 3-D pour chaque classe. Un calcul basé sur 2, 000 images prend environ une journée.

Tout comme une tomodensitométrie à l'hôpital, les reconstructions 3-D monoparticule ont révélé la forme externe et la structure interne de la particule.

« Nous avons été ravis d'avoir l'opportunité de collaborer avec le groupe Wiesner sur ce problème, " Gong a dit, "et démontrer l'étendue de ce que nos algorithmes et logiciels peuvent faire."

Le groupe affirme que c'est peut-être la première fois qu'une reconstruction 3-D à particule unique d'images cryo-EM utilisant l'intelligence artificielle - une technique en développement rapide en biologie structurelle - est appliquée avec succès à la découverte de matériaux synthétiques.

"Quand j'ai évoqué pour la première fois l'idée de confirmer la structure de la cage par cette technique, la plupart des gens ne croyaient pas que cela était possible en raison de la complexité du matériau, " dit Maman.

« Que cela révélait une belle cage de type dodécaèdre, le plus symétrique des cinq solides platoniciens déjà étudiés dans l'Antiquité, était immensément enrichissant, " a déclaré Wiesner.

Alors, où se situe le lauréat du prix Nobel ? Il y a plusieurs années, Wiesner a assisté à une conférence de Roald Hoffmann, le Frank H.T. Rhodes Professeur émérite au Département de chimie et de biologie chimique. L'un des sujets de la conférence était ce qu'on appelle les structures en cage clathrate. Un clathrate est un composé dans lequel une molécule invitée est piégée dans la cage cristalline d'une autre.

Cela a amené Wiesner à réfléchir au travail que son laboratoire avait effectué sur les structures à l'échelle nanométrique, qui étaient apparus comme de simples bagues à l'examen préliminaire. « Après la conférence, J'ai littéralement couru à Duffield Hall pour dire à Kai Ma que je pensais que les structures d'ordre supérieur qu'il voyait parfois seraient probablement des structures de type clathrate, " Wiesner a dit. " Kai a fait plus de travail de microscopie et a dit, 'Uli, Je pense que tu as raison.'"

Cette connexion fortuite, et la collaboration improbable impliquant l'apprentissage automatique avec Doerschuk et Gong, est normal pour le cours à Cornell, dit Wiesner.

"C'est une histoire typique de Cornell, " dit-il. " Vous rencontrez ces gens de différents départements, et tout contribue à une découverte majeure en science d'une belle structure qui n'avait jamais été vue auparavant."

Doerschuk a confirmé :« Je suis arrivé à Cornell en 2006. L'une des principales attractions était l'affirmation selon laquelle les barrières entre les départements sont faibles et que le travail interdisciplinaire est encouragé. Ayant maintenant travaillé chez Cornell pendant une décennie, Je suis ravi d'annoncer que cette affirmation est vraie."

Dans le journal, Wiesner soutient que « sur la base des succès récents … des nanoparticules de silice fluorescentes ultra petites [" points Cornell "] … toute une gamme de nouvelles sondes diagnostiques et thérapeutiques avec des médicaments cachés à l'intérieur des cages peut être envisagée. "