AI odhaľuje predtým neznámu biológiu – nemôžeme vedieť polovicu toho, čo je v našich bunkách

Technológia založená na umelej inteligencii odhaľuje doteraz neznáme zložky buniek, ktoré môžu poskytnúť nové vodítka pre ľudský vývoj a choroby.

Väčšinu ľudských chorôb možno vystopovať k nefunkčným častiam bunky – nádor sa môže vyvinúť, pretože gén nie je presne preložený do konkrétneho proteínu alebo dôjde k metabolickému ochoreniu, pretože mitochondrie nie sú správne preložené. Aby však vedci pochopili, ktoré časti bunky sa môžu pri chorobe pokaziť, musia najprv zostaviť úplný zoznam častí.

Spojením mikroskopie, biochemických techník a umelej inteligencie urobili výskumníci a kolegovia z University of California San Diego School of Medicine významný skok vpred v chápaní ľudských buniek.

Technológia, známa ako Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC), bola opísaná 24. novembra 2021 v. bola vykonaná v Príroda,

„Ak si predstavíte bunku, pravdepodobne si vo svojej učebnici bunkovej biológie predstavíte farebný diagram s mitochondriami, endoplazmatickým retikulom a jadrom. Ale je to celý príbeh? Určite nie,“ Trey Idecker, PhD, profesor na UC San. Diego School of Medicine a Moores Cancer Center. „Vedci si už dávno uvedomili, že nevieme oveľa viac, ako vieme, ale teraz máme spôsob, ako sa pozrieť hlbšie.“

Ideker viedol štúdiu s Emmou Lundberg, PhD, z Kráľovského technologického inštitútu KTH v Štokholme vo Švédsku a na Stanfordskej univerzite.

Vľavo: Klasické učebnicové diagramy buniek, čo znamená, že všetky časti sú jasne viditeľné a definované. (Kredit: OpenStax/Wikimedia). Vpravo: Nová bunková mapa vytvorená spoločnosťou Musik Technique odhaľuje niekoľko nových komponentov. Zlaté uzly predstavujú známe komponenty bunky, fialové uzly predstavujú nové komponenty. Veľkosť uzla odráža počet rôznych proteínov v tejto zložke. kredit: UC San Diego Health Sciences

V experimentálnych štúdiách MuSIC odhalil približne 70 zložiek obsiahnutých v bunkovej línii ľudských obličiek, z ktorých polovica nebola nikdy predtým pozorovaná. V jednom príklade vedci pozorovali skupinu proteínov tvoriacich neznámu štruktúru. V spolupráci so spolupracovníkom UC San Diego Jeanom Yeom, PhD, nakoniec určili štruktúru ako nový komplex proteínov, ktoré sa viažu. kráľovská armáda, Komplex sa pravdepodobne podieľa na zostrihu, dôležitej bunkovej udalosti, ktorá umožňuje transláciu génov na proteíny a pomáha určiť, ktoré gény sú aktívne v akom čase.

Vnútro buniek – a množstvo proteínov, ktoré sa tam nachádzajú – sa zvyčajne študuje pomocou jednej z dvoch techník: mikroskopického zobrazovania alebo biofyzikálnej asociácie. Pomocou zobrazovania výskumníci pridávajú k proteínom záujmu fluorescenčné značky rôznych farieb a sledujú ich pohyby a asociácie v zornom poli mikroskopu. Na hľadanie biofyzikálnych asociácií môžu výskumníci použiť protilátky špecifické pre proteín, aby ho vyradili z bunky a zistili, čo ešte je k nemu pripojené.

Tím sa už dlhé roky zaujíma o mapovanie vnútorného fungovania buniek. Čo sa líši od Musik, je jeho použitie hlbokého učenia na mapovanie buniek priamo z obrazov bunkovej mikroskopie.

„Kombinácia týchto techník je jedinečná a výkonná, pretože prvýkrát spája merania v rôznych mierkach,“ povedal prvý autor štúdie Yu Qin, študent bioinformatiky a systémovej biológie v Idekarovom laboratóriu.

Mikroskopy umožňujú vedcom vidieť až na úroveň mikrónu, čo je približne veľkosť niektorých organel, ako sú mitochondrie. Malé prvky, ako sú jednotlivé proteíny a proteínové komplexy, nie je možné vidieť cez mikroskop. Biochemické techniky, ktoré začínajú s jedným proteínom, umožňujú vedcom dostať sa až na nanometrovú škálu. (Nanometer je jedna miliardtina metra alebo 1 000 mikrónov.)

„Ale ako premostite túto medzeru z nanometrovej do mikrónovej mierky? Už dlho je to hlavná prekážka v biologických vedách,“ povedal Eidekar, zakladateľ UC Cancer Cell Map Initiative a UC San Diego Center for Computational Biology and Bioinformatika: „Ukazuje sa, že to môžete urobiť pomocou umelej inteligencie – pohľadom na údaje z viacerých zdrojov a požiadaním systému, aby ich zostavil do modelu bunky.“

Tím trénoval platformu umelej inteligencie Musik na vizualizáciu všetkých údajov a zostavenie modelu bunky. Systém zatiaľ nemapuje obsah buniek na konkrétne miesta, ako sú napríklad diagramy z učebníc, čiastočne preto, že ich umiestnenie nie je nevyhnutne fixné. Namiesto toho sú priestory komponentov tekuté a menia sa v závislosti od typu a stavu bunky.

Ideker poznamenal, že toto bola pilotná štúdia na testovanie Muisic. Pozreli sa len na 661 proteínov a jeden typ bunky.

„Zjavným ďalším krokom je preletieť celú ľudskú bunku,“ povedal Ideker, „a potom prejsť k rôznym typom buniek, ľuďom a druhom.“ Nakoniec možno budeme schopní lepšie pochopiť molekulárny základ mnohých chorôb porovnaním rozdielov medzi zdravými a chorými bunkami.“

Referencie: Yu Qin, Edward L. Hatlin, Casper F. Vincennes, Maya L. Gosztilla, Ludivin Vachul, Marcus R Kelly, Steven M. „Viacrozmerná mapa bunkovej štruktúry spájajúca proteínové obrazy a interakcie“ od Blue, Fan. Zheng, Michael Chen, Leah V. Schaefer, Katherine Likon, Anna Backstrom, Laura Pontano Waits, John J. Lee, Wei Ouyang, Sophie Ann Liu, Tian Zhang, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Pitta, Jason F. Kreisberg, Steven P. Gigi, Jianzhu Ma, J. Wade Harper, Jean W Yeo, Denise LJ LaFontaine, Emma Lundberg a Trey Eydecker, 24. novembra 2021, Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-021-04115-9

Medzi spoluautorov patrí: Maya L. Goszilla, Marcus R. Kelly, Steven M. Blue, Fan Zheng, Michael Chen, Leah V. Schaefer, Katherine Lycon, John J. Lee, Sophie N. Liu, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Pittiah, Jason F. Kreisberg, UC San Diego; Edward L. Hatlin, Laura Pontano Waits, Tian Zhang, Steven P. Gigi, J. Wade Harper, Harvardská lekárska fakulta; Casper F. Vincennes, Anna Backstrom, Wei Ouyang, KTH Royal Institute of Technology; Ludivine Vechul, Denis LJ LaFontaine, Université Libre de Bruxelles; a Jianzhu Ma, Pekingská univerzita.

Financovanie tohto výskumu prišla čiastočne z National Institutes of Health (Grants U54CA209891, U01MH115747, F99CA264422, P41GM103504, R01HG009979, U24HG006673, U41HG009889, R01HL137223, R01HG004659, R50CA243885), Google Ventures, Alice Erling-Knut a Knut. Wallenbergova nadácia (grant 2016.0204), Švédska rada pre výskum (grant 2017-05327), belgický Fonds de la Recherche Scientifique, Université Libre de Bruxelles, Európsky spoločný program pre zriedkavé choroby, Wallenský región, Internationale Bracht Stiftung a Epitran Cost Action (grant 1610CA) ))

Zverejnenie: Trey Idecker je spoluzakladateľom Vedeckého poradného zboru a spoluzakladateľom Data4Cure, Inc. Má majetkovú účasť v Ideker je tiež členom Vedeckého poradného výboru, má majetkovú účasť v Ideaya BioSciences, Inc. Dostáva sponzorované finančné prostriedky na výskum od Jean Yeo je spoluzakladateľom, členom predstavenstva, vedeckej poradnej rady, akcionárom a plateným poradcom spoločností LoknaBio a Eclipse Bioinnovation. Yeo je tiež hosťujúcim profesorom na Národnej univerzite v Singapure. Podmienky týchto dojednaní boli preskúmané a schválené Kalifornskou univerzitou v San Diegu v súlade s jej zásadami konfliktu záujmov. Emma je členkou Vedeckého poradného zboru v Lundbergu a má majetkové účasti v Cartography Biosciences, Nautilus Biotechnology a Interline Therapeutics. J. Wade Harper je spoluzakladateľom Vedeckého poradného zboru a má majetkovú účasť v Caraway Therapeutics. Harper je tiež zakladajúcim vedeckým poradcom Interline Therapeutics.