يكشف الذكاء الاصطناعي عن بيولوجيا لم تكن معروفة من قبل – قد لا نعرف نصف ما يوجد في خلايانا

تكشف التقنية القائمة على الذكاء الاصطناعي عن مكونات خلوية لم تكن معروفة من قبل والتي قد توفر أدلة جديدة حول التطور البشري والمرض.

يمكن تتبع معظم الأمراض البشرية إلى أجزاء معيبة من الخلية – فالورم قادر على النمو لأن الجين لم يترجم بدقة إلى بروتين معين ، أو يحدث مرض التمثيل الغذائي لأن الميتوكوندريا لا تنشط بشكل صحيح ، على سبيل المثال. ولكن لفهم أجزاء الخلية التي يمكن أن تسوء في المرض ، يجب أن يكون لدى العلماء أولاً قائمة كاملة بالأجزاء.

من خلال الجمع بين الفحص المجهري وتقنيات الكيمياء الحيوية والذكاء الاصطناعي ، اتخذ الباحثون في كلية الطب بجامعة كاليفورنيا سان دييغو والمتعاونون معهم ما يعتقدون أنه خطوة كبيرة إلى الأمام في فهم الخلايا البشرية.

تم وصف التقنية ، المعروفة باسم الخلية المتكاملة متعددة النطاقات (MuSIC) ، في 24 نوفمبر 2021 في الطبيعة.

“إذا تخيلت خلية ، فمن المحتمل أن تتخيل الرسم التخطيطي الملون في كتاب بيولوجيا الخلية ، مع الميتوكوندريا ، والشبكة الإندوبلازمية ، والنواة. ولكن هو أن القصة كلها؟ قال تري إيديكر ، دكتوراه ، أستاذ في كلية الطب بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ومركز موريس للسرطان ، “بالتأكيد لا”. لقد أدرك العلماء منذ فترة طويلة أن هناك أكثر مما لا نعرفه ، ولكن لدينا الآن طريقة للمضي قدمًا. “

قاد إيديكر الدراسة مع إيما لوندبيرج ، دكتوراه ، من المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH في ستوكهولم ، السويد ، وجامعة ستانفورد.

إلى اليسار: تشير الرسوم التخطيطية لخلايا الكتب المدرسية التقليدية إلى أن جميع الأجزاء مرئية ومحددة بوضوح. (الائتمان: OpenStax / ويكيميديا). إلى اليمين: خريطة خلوية جديدة تم إنشاؤها بواسطة تقنية MuSIC تكشف عن العديد من المكونات الجديدة. تمثل العقد الذهبية المكونات الخلوية المعروفة ، وتمثل العقد الأرجوانية المكونات الجديدة. يعكس حجم العقدة عدد البروتينات المميزة في هذا المكون. الائتمان: العلوم الصحية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو

في الدراسة التجريبية ، كشف MuSIC عن حوالي 70 مكونًا موجودًا في خط خلايا الكلى البشرية ، نصفها لم يسبق رؤيته من قبل. في أحد الأمثلة ، اكتشف الباحثون مجموعة من البروتينات تشكل بنية غير معروفة. من خلال العمل مع زميل جامعة كاليفورنيا في سان دييغو جين يو ، حاصل على درجة الدكتوراه ، قرروا أخيرًا أن الهيكل عبارة عن مركب جديد من البروتينات التي ترتبط ببعضها البعض RNA. من المحتمل أن يكون المركب متورطًا في التضفير ، وهو حدث خلوي مهم يتيح ترجمة الجينات إلى بروتينات ويساعد في تحديد الجينات التي يتم تشغيلها ومتى يتم تشغيلها.

عادةً ما يتم دراسة الجزء الداخلي من الخلايا – والعديد من البروتينات الموجودة داخلها – باستخدام إحدى طريقتين: التصوير المجهري أو الارتباط الفيزيائي الحيوي. من خلال التصوير ، يضيف الباحثون منارات فلورية بألوان مختلفة إلى البروتينات ذات الأهمية وتتبع حركاتها وارتباطاتها داخل مجال رؤية المجهر. لفحص الارتباطات الفيزيائية الحيوية ، يمكن للباحثين استخدام جسم مضاد خاص بالبروتين لسحبه من الخلية ومعرفة ما يرتبط به.

كان الفريق مهتمًا لسنوات عديدة برسم خرائط الأداء الداخلي للخلايا. ما يختلف مع MuSIC هو استخدام التعلم العميق لرسم خريطة للخلية مباشرة من صور المجهر الخلوي.

قال المؤلف الأول للدراسة ، Yue Qin ، وهو طالب دراسات عليا في المعلوماتية الحيوية وبيولوجيا الأنظمة في مختبر Ideker: “إن الجمع بين هذه التقنيات فريد وقوي لأنها المرة الأولى التي تتجمع فيها القياسات بمقاييس مختلفة جدًا”.

تسمح المجاهر للعلماء برؤية مستوى ميكرون واحد ، تقريبًا بحجم عضيات معينة ، مثل الميتوكوندريا. لا يمكن رؤية العناصر الأصغر ، مثل البروتينات الفردية ومجمعات البروتين ، تحت المجهر. تسمح التقنيات الكيميائية الحيوية ، التي تبدأ من بروتين واحد ، للعلماء بالنزول إلى المقياس النانوي. (النانومتر هو جزء من المليار من المتر ، أو 1000 ميكرون).

“ولكن كيف يمكنك سد تلك الفجوة بين مقياس نانومتر ومقياس ميكرون؟” قال إيديكر ، وهو أيضًا مؤسس مبادرة خريطة خلية السرطان بجامعة كاليفورنيا ومركز سان دييغو للبيولوجيا الحاسوبية والمعلوماتية الحيوية ، “لطالما كان هذا عقبة كبيرة في العلوم البيولوجية”. “تبين أنه يمكنك القيام بذلك باستخدام الذكاء الاصطناعي – من خلال النظر إلى البيانات من مصادر متعددة وجعل النظام يجمعها معًا في نموذج خلية.”

قام الفريق بتدريب منصة MuSIC للذكاء الاصطناعي لفحص جميع البيانات وبناء نموذج للخلية. لم يقم النظام حتى الآن بتعيين محتويات الخلايا إلى مواقع محددة ، مثل مخطط الكتاب المدرسي ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن مواقعها ليست بالضرورة ثابتة. بدلاً من ذلك ، تكون مواقع المكونات سائلة وتتغير اعتمادًا على نوع الخلية والوضع.

أشار إيديكر إلى أن هذه كانت دراسة تجريبية لاختبار MuSIC. لقد نظروا فقط إلى 661 بروتينًا ونوع خلية واحدة.

قال إيديكر: “تتمثل الخطوة الواضحة التالية في التفجير في الخلية البشرية بأكملها ، ثم الانتقال إلى أنواع مختلفة من الخلايا والأشخاص والأنواع. وفي النهاية قد نتمكن من فهم الأساس الجزيئي للعديد من الأمراض بشكل أفضل من خلال مقارنة الاختلافات بين الخلايا السليمة والمريضة.

المرجع: “خريطة متعددة المقاييس لبنية الخلية تدمج صور البروتينات والتفاعلات” بقلم يو تشين ، إدوارد ل.هوتلين ، كاسبر إف وينسنز ، مايا إل.جوزتايلا ، لوديفين واتشول ، ماركوس آر كيلي ، ستيفن إم بلو ، فان زينج ، مايكل تشين ، ليا ف.شافير ، كاثرين ليكون ، آنا باكستروم ، لورا بونتانو فايتس ، جون جي لي ، وي أويانغ ، صوفي إن ليو ، تيان زانج ، إيريكا سيلفا ، جيسو بارك ، أدريانا بيتي ، جايسون إف كريسبيرج ، ستيفن بي جيجي ، جيانزو ما ، جيه واد هاربر ، جين دبليو يو ، دينيس إل جيه لافونتين ، إيما لوندبرج وتري إيديكر ، 24 نوفمبر 2021 ، الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04115-9

المؤلفون المشاركون هم: مايا إل.جوزتايلا ، ماركوس آر كيلي ، ستيفن إم. Adriana Pitea، Jason F. Kreisberg، UC San Diego؛ إدوارد ل.هوتلين ، لورا بونتانو فايتس ، تيان زانج ، ستيفن ب. جيجي ، جيه. واد هاربر ، كلية الطب بجامعة هارفارد ؛ Casper F. Winsnes، Anna Bäckström، Wei Ouyang، KTH Royal Institute of Technology؛ Ludivine Wacheul، Denis LJ Lafontaine، Université Libre de Bruxelles ؛ وجيانزو ما ، جامعة بكين.

جاء تمويل هذا البحث ، جزئيًا ، من المعاهد الوطنية للصحة (منح U54CA209891 ، U01MH115747 ، F99CA264422 ، P41GM103504 ، R01HG009979 ، U24HG006673 ، U41HG009889 ، R01HL137223 ، R01HG004243885 Foundation ، مؤسسة Alice50 ، مؤسسة Alice50 Ventures Foundation (R01HG004243885) 2016.0204) ، مجلس البحوث السويدي (منحة 2017-05327) ، الصندوق البلجيكي للبحث العلمي ، جامعة Libre de Bruxelles ، البرنامج الأوروبي المشترك للأمراض النادرة ، منطقة والون ، Internationale Brachet Stiftung و Epitran COST الإجراء (منح CA16120) .

الإفصاحات: Trey Ideker هو المؤسس المشارك وعضو في المجلس الاستشاري للعلوم ويمتلك حصة في Data4Cure، Inc. كما أن إيديكر عضو في المجلس الاستشاري للعلوم ويمتلك حصة ويتلقى تمويلًا للبحوث برعاية شركة Ideaya BioSciences، Inc. جين يو هو المؤسس المشارك وعضو مجلس الإدارة للمجلس الاستشاري العلمي ومساهم ومستشار مدفوع الأجر في Locanabio و Eclipse BioInnovations. يو هو أيضًا أستاذ زائر في جامعة سنغافورة الوطنية. تمت مراجعة شروط هذه الاتفاقيات والموافقة عليها من قبل جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو وفقًا لسياسات تضارب المصالح الخاصة بها. إيما لوندبيرج عضو في المجالس الاستشارية العلمية ولها اهتمامات في علوم بيولوجيا رسم الخرائط و Nautilus Biotechnology و Interline Therapeutics. J. Wade Harper هو مؤسس مشارك وعضو في المجلس الاستشاري العلمي ولديه مصلحة في Caraway Therapeutics. هاربر هو أيضًا مستشار علمي مؤسس لـ Interline Therapeutics.