AI dezvăluie o biologie necunoscută anterior – este posibil să nu știm jumătate din ceea ce se află în celulele noastre

Cercetătorii de la UC San Diego introduc Multiscale Integrated Cell (MuSIC), o tehnică care combină microscopia, biochimia și inteligența artificială, dezvăluind componente celulare necunoscute anterior care pot oferi noi indicii despre dezvoltarea umană și boli. (Redare conceptuală de către artist.) Credit: UC San Diego Health Sciences

Tehnica bazată pe inteligența artificială dezvăluie componente celulare necunoscute anterior care pot oferi noi indicii despre dezvoltarea umană și boli.

Majoritatea bolilor umane pot fi urmărite în părțile defecte ale unei celule – o tumoare este capabilă să crească deoarece o genă nu a fost tradusă cu acuratețe într-o anumită proteină sau boala metabolică apare deoarece mitocondriile nu se declanșează corect, de exemplu. Dar pentru a înțelege ce părți ale unei celule pot merge prost într-o boală, oamenii de știință trebuie să aibă mai întâi o listă completă a părților.

Combinând microscopia, tehnicile biochimice și inteligența artificială, cercetătorii de la Universitatea din California San Diego School of Medicine și colaboratorii lor au făcut ceea ce ei cred că este un mare pas înainte în înțelegerea celulelor umane.

Tehnica, cunoscută sub numele de Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC), este descrisă pe 24 noiembrie 2021 în Natură.

„Dacă îți imaginezi o celulă, probabil îți imaginezi diagrama colorată din manualul tău de biologie celulară, cu mitocondriile, reticulul endoplasmatic și nucleul. Dar asta e toată povestea? Cu siguranță nu”, a spus Trey Ideker, dr., profesor la UC San Diego School of Medicine și Moores Cancer Center. „Oamenii de știință au înțeles de mult că există mai mult decât nu știm, dar acum avem în sfârșit o cale de a merge mai departe. „

Ideker a condus studiul împreună cu Emma Lundberg, PhD, de la KTH Royal Institute of Technology din Stockholm, Suedia, și Universitatea Stanford.

Celulă clasică vs MuSIC

Stânga: Diagramele clasice de celule ale manualelor implică faptul că toate părțile sunt clar vizibile și definite. (Credit: OpenStax / Wikimedia). Dreapta: O nouă hartă celulară generată de tehnica MuSIC dezvăluie multe componente noi. Nodurile aurii reprezintă componentele celulare cunoscute, nodurile violet reprezintă componentele noi. Mărimea nodului reflectă numărul de proteine ​​distincte din acea componentă. Credit: UC San Diego Health Sciences

În studiul pilot, MuSIC a dezvăluit aproximativ 70 de componente conținute într-o linie de celule renale umane, dintre care jumătate nu fuseseră niciodată văzute înainte. Într-un exemplu, cercetătorii au observat un grup de proteine ​​care formează o structură necunoscută. Lucrând cu colegul de la UC San Diego, dr. Gene Yeo, au stabilit în cele din urmă că structura era un nou complex de proteine ​​care se leagă împreună. ARN. Complexul este probabil implicat în splicing, un eveniment celular important care permite traducerea genelor în proteine ​​și ajută la determinarea genelor când sunt pornite.

READ  Lucrările la computerul cu sarcină utilă Hubble continuă în timp ce NASA evaluează problema

Interiorul celulelor – și multele proteine ​​din ele – sunt de obicei studiate folosind una dintre cele două tehnici: imagistica la microscop sau asociere biofizică. Cu ajutorul imaginilor, cercetătorii adaugă faruri fluorescente de diferite culori la proteinele de interes și urmăresc mișcările și asocierile acestora în câmpul vizual al microscopului. Pentru a examina asociațiile biofizice, cercetătorii pot folosi un anticorp specific unei proteine ​​pentru a o scoate din celulă și a vedea ce este atașat de ea.

Echipa este interesată de mulți ani de cartografierea funcționării interne a celulelor. Ceea ce este diferit cu MuSIC este utilizarea învățării profunde pentru a mapa celula direct din imaginile microscopiei celulare.

„Combinația acestor tehnologii este unică și puternică, deoarece este prima dată când măsurătorile la scări foarte diferite se reunesc”, a spus primul autor al studiului, Yue Qin, student absolvent în bioinformatică și biologie a sistemelor la laboratorul Ideker.

Microscoapele le permit oamenilor de știință să vadă până la un singur micron, aproximativ de dimensiunea anumitor organite, cum ar fi mitocondriile. Elementele mai mici, cum ar fi proteinele individuale și complexele proteice, nu pot fi văzute la microscop. Tehnicile biochimice, care pornesc de la o singură proteină, permit oamenilor de știință să coboare la scara nanometrică. (Un nanometru este o miliardime de metru sau 1.000 de microni.)

„Dar cum faci puntea acelui decalaj dintre scara nanometrică și scara micronului?” Acesta a fost mult timp un mare obstacol în științele biologice”, a spus Ideker, care este, de asemenea, fondatorul UC Cancer Cell Map Initiative și al Centrului UC San Diego pentru Biologie Computațională și Bioinformatică. „Se dovedește că o poți face cu inteligență artificială – analizând date din mai multe surse și punând sistemul să le pună împreună într-un model celular.”

READ  Coronavirus, Fiaba in seduta plenaria: "Altri 25 miliardi di liquidità creditizia. Probabile recessione in Europa"

Echipa a antrenat platforma de inteligență artificială MuSIC pentru a examina toate datele și a construi un model al celulei. Sistemul nu mapează încă conținutul celulelor în anumite locații, cum ar fi o diagramă de manual, în parte pentru că locațiile lor nu sunt neapărat fixe. În schimb, locațiile componente sunt fluide și se modifică în funcție de tipul celulei și de situație.

Ideker a remarcat că acesta a fost un studiu pilot pentru a testa MuSIC. Au analizat doar 661 de proteine ​​și un singur tip de celulă.

„Următorul pas clar este să trecem prin întreaga celulă umană”, a spus Ideker, „și apoi să trecem la diferite tipuri de celule, oameni și specii. În cele din urmă, putem fi capabili să înțelegem mai bine baza moleculară a multor boli prin compararea diferențele dintre celulele sănătoase și cele bolnave.

Referință: „O hartă pe mai multe scară a structurii celulare care fuzionează imaginile și interacțiunile cu proteine” de Yue Qin, Edward L. Huttlin, Casper F. Winsnes, Maya L. Gosztyla, Ludivine Wacheul, Marcus R. Kelly, Steven M. Blue, Fan Zheng, Michael Chen, Leah V. Schaffer, Katherine Licon, Anna Bäckström, Laura Pontano Vaites, John J. Lee, Wei Ouyang, Sophie N. Liu, Tian Zhang, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Pitea, Jason F. Kreisberg, Steven P. Gygi, Jianzhu Ma, J. Wade Harper, Gene W. Yeo, Denis LJ Lafontaine, Emma Lundberg și Trey Ideker, 24 noiembrie 2021, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04115-9

Co-autorii includ: Maya L. Gosztyla, Marcus R. Kelly, Steven M. Blue, Fan Zheng, Michael Chen, Leah V. Schaffer, Katherine Licon, John J. Lee, Sophie N. Liu, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Pitea, Jason F. Kreisberg, UC San Diego; Edward L. Huttlin, Laura Pontano Vaites, Tian Zhang, Steven P. Gygi, J. Wade Harper, Harvard Medical School; Casper F. Winsnes, Anna Bäckström, Wei Ouyang, Institutul Regal de Tehnologie KTH; Ludivine Wacheul, Denis LJ Lafontaine, Université Libre de Bruxelles; și Jianzhu Ma, Universitatea din Beijing.

READ  Perseverența se rostogolește pe solul lui Marte pentru prima dată

Finantarea pentru aceasta cercetare a venit, in parte, de la National Institutes of Health (acordă U54CA209891, U01MH115747, F99CA264422, P41GM103504, R01HG009979, U24HG006673, U41HG009889, R01HL137223, R01HG004243885, Fundația Alice Wallling, Fundația, Fundația Alice Ventures, Fundația Wallling R50CA, Google Ventures Foundation (R01HG004243885) 2016.0204), Consiliul Suedez de Cercetare (grant 2017-05327), Fondul Belgian pentru Cercetare Științifică, Université Libre de Bruxelles, Programul European Comun pentru Boli Rare, Regiunea Valona, ​​Internationale Brachet Stiftung și Epitran COST acțiune (grant) CA16120 .

Dezvăluiri: Trey Ideker este co-fondator, membru al consiliului consultativ științific și deține o participație în Data4Cure, Inc. Ideker este, de asemenea, membru al consiliului consultativ știință, deține o acțiune și primește finanțare pentru cercetare sponsorizată de Ideaya BioSciences, Inc. Gene Yeo este co-fondator, membru al consiliului de administrație, al consiliului consultativ științific, acționar și consultant plătit pentru Locanabio și Eclipse BioInnovations. Yeo este, de asemenea, profesor invitat la Universitatea Națională din Singapore. Condițiile acestor acorduri au fost revizuite și aprobate de Universitatea din California, San Diego, în conformitate cu politicile sale privind conflictele de interese. Emma Lundberg este membru al consiliilor consultative științifice și are interese în Cartography Biosciences, Nautilus Biotechnology și Interline Therapeutics. J. Wade Harper este un co-fondator al, membru al Scientific Advisory Board și deține un interes în Caraway Therapeutics. Harper este, de asemenea, un consilier științific fondator pentru Interline Therapeutics.

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *