قدم باحثو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو خلية متكاملة متعددة النطاقات (MuSIC) ، وهي تقنية تجمع بين الفحص المجهري والكيمياء الحيوية والذكاء الاصطناعي ، وتكشف عن مكونات خلوية غير معروفة سابقًا والتي قد توفر أدلة جديدة على التطور البشري والمرض. (العرض المفاهيمي للفنان.) الائتمان: UC San Diego Health Sciences
تكشف التقنية القائمة على الذكاء الاصطناعي عن مكونات خلوية لم تكن معروفة من قبل والتي قد توفر أدلة جديدة على التطور البشري والمرض.
يمكن تتبع معظم الأمراض التي تصيب الإنسان إلى أجزاء معطلة من الخلية – فالورم قادر على النمو لأن الجين لم يترجم بدقة إلى بروتين معين أو أن مرضًا استقلابيًا ينشأ لأن الميتوكوندريا لا تنشط بشكل صحيح ، على سبيل المثال. ولكن لفهم أجزاء الخلية التي يمكن أن تسوء في المرض ، يحتاج العلماء أولاً إلى قائمة كاملة بالأجزاء.
من خلال الجمع بين تقنيات الفحص المجهري والكيمياء الحيوية والذكاء الاصطناعي ، اتخذ الباحثون في كلية الطب بجامعة كاليفورنيا سان دييغو والمتعاونون ما يعتقدون أنه قد يكون قفزة كبيرة إلى الأمام في فهم الخلايا البشرية.
تم وصف التقنية ، المعروفة باسم الخلية المتكاملة متعددة النطاقات (MuSIC) ، في 24 نوفمبر 2021 ، في طبيعة سجية.
“إذا تخيلت خلية ، فمن المحتمل أنك تصور 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 المزيد مما لا نعرفه مما نعرفه ، ولكن لدينا الآن طريقة للنظر بشكل أعمق.”
قاد Ideker الدراسة مع Emma Lundberg ، دكتوراه ، من KTH Royal Institute of Technology 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 مكونات خلوية معروفة ، بينما تمثل العقد الأرجوانية مكونات جديدة. يعكس حجم العقدة عدد البروتينات المميزة في هذا المكون. الائتمان: العلوم الصحية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو
في الدراسة التجريبية ، كشف MuSIC عن ما يقرب من 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 مألوفة. من خلال العمل مع زميل جامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، جين يو ، الحاصل على درجة الدكتوراه ، قرروا في النهاية أن الهيكل عبارة عن مركب جديد من البروتينات التي ترتبط RNA. من المحتمل أن يكون المركب متورطًا في التضفير ، وهو حدث خلوي مهم يتيح ترجمة الجينات إلى بروتينات ، ويساعد في تحديد الجينات التي يتم تنشيطها وفي أي وقت.
تتم دراسة الدواخل الداخلية للخلايا – والعديد من البروتينات الموجودة هناك – عادةً باستخدام إحدى طريقتين: التصوير المجهري أو الارتباط الفيزيائي الحيوي. من خلال التصوير ، يضيف الباحثون علامات فلورية بألوان مختلفة إلى البروتينات ذات الأهمية وتتبع حركاتها وارتباطاتها عبر مجال رؤية المجهر. للنظر في الارتباطات الفيزيائية الحيوية ، قد يستخدم الباحثون جسمًا مضادًا خاصًا بالبروتين لسحبه من الخلية ومعرفة ما يرتبط به أيضًا.
كان الفريق مهتمًا برسم خرائط الأعمال الداخلية للخلايا لسنوات عديدة. ما يختلف عن MuSIC هو استخدام التعلم العميق لرسم خريطة للخلية مباشرة من صور المجهر الخلوي.
قال مؤلف الدراسة الأول Yue Qin ، وهو طالب دراسات عليا في المعلوماتية الحيوية وعلم أحياء الأنظمة في مختبر Ideker ، “إن الجمع بين هذه التقنيات فريد وقوي لأنها المرة الأولى التي يتم فيها الجمع بين قياسات بمقاييس مختلفة تمامًا”.
تسمح المجاهر للعلماء برؤية مستوى ميكرون واحد ، بحجم بعض العضيات ، مثل الميتوكوندريا. لا يمكن رؤية العناصر الأصغر ، مثل البروتينات الفردية ومجمعات البروتين ، من خلال المجهر. تسمح تقنيات الكيمياء الحيوية ، التي تبدأ ببروتين واحد ، للعلماء بالوصول إلى مقياس النانومتر. (النانومتر هو جزء من المليار من المتر ، أو 1000 ميكرون).
لكن كيف يمكنك سد هذه الفجوة من مقياس نانومتر إلى مقياس ميكرون؟ قال إيديكر ، وهو أيضًا مؤسس مبادرة خريطة الخلايا السرطانية بجامعة كاليفورنيا ومركز سان دييغو للبيولوجيا الحاسوبية والمعلوماتية الحيوية ، “لطالما كان ذلك عقبة كبيرة في العلوم البيولوجية”. “تبين أنه يمكنك القيام بذلك باستخدام الذكاء الاصطناعي – النظر في البيانات من مصادر متعددة ومطالبة النظام بتجميعها في نموذج لخلية.”
قام الفريق بتدريب منصة MuSIC للذكاء الاصطناعي للنظر في جميع البيانات وإنشاء نموذج للخلية. لم يقم النظام حتى الآن بتعيين محتويات الخلية إلى مواقع محددة ، مثل مخطط الكتاب المدرسي ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن مواقعها ليست بالضرورة ثابتة. بدلاً من ذلك ، تكون مواقع المكونات سائلة وتتغير حسب نوع الخلية والوضع.
أشار إيديكر إلى أن هذه كانت دراسة تجريبية لاختبار MuSIC. لقد بحثوا فقط في 661 بروتينًا ونوع خلية واحد.
قال إيديكر: “الخطوة التالية الواضحة هي نفخ الخلية البشرية بأكملها ، ثم الانتقال إلى أنواع مختلفة من الخلايا والأشخاص والأنواع. في النهاية ، قد نتمكن من فهم الأساس الجزيئي للعديد من الأمراض بشكل أفضل من خلال مقارنة ما هو مختلف 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 ويد هاربر ، جين دبليو يو ، دينيس إل جيه لافونتين ، إيما لوندبرج وتري إيديكر ، 24 نوفمبر 2021 ، طبيعة سجية.
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 (المنح U54CA209891 ، U01MH115747 ، F99CA264422 ، P41GM103504 ، R01HG009979 ، U24HG006673 ، U41HG009889 ، R01HL137223 ، R01HG004659 Erutling ، R50CA2485 Foundation ، مؤسسة Wallenberg (منحة 2016.0204) ، ومجلس البحوث السويدي (منحة 2017-05327) ، وجامعة بلجيكا الحرة في بروكسل ، والبرنامج الأوروبي المشترك للأمراض النادرة ، و Région Wallonne ، و Internationale Brachet Stiftung ، وإجراءات Epitran COST (منح CA16120 ).
الإفصاحات: Trey Ideker هو المؤسس المشارك ، في المجلس الاستشاري العلمي وله حصة في Data4Cure، Inc. جين يو هو مؤسس مشارك وعضو في مجلس الإدارة في المجلس الاستشاري العلمي وحامل أسهم ومستشار مدفوع الأجر لـ Locanabio و Eclipse BioInnovations. يو هو أيضًا أستاذ زائر في جامعة سنغافورة الوطنية. تمت مراجعة شروط هذه الترتيبات والموافقة عليها من قبل جامعة كاليفورنيا سان دييغو وفقًا لسياسات تضارب المصالح الخاصة بها. إيما لوندبيرج عضو في المجالس الاستشارية العلمية في علم الأحياء ورسم الخرائط ، و Nautilus Biotechnology و Interline Therapeutics ، ولها اهتمامات متساوية في علم الأحياء لرسم الخرائط. J. Wade Harper هو مؤسس مشارك في المجلس الاستشاري العلمي وله حصة في Caraway Therapeutics. هاربر هو أيضًا المستشار العلمي المؤسس للعلاجات المتداخلة.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”