AI mengungkapkan biologi yang sebelumnya tidak diketahui – kita mungkin tidak tahu setengah dari apa yang ada di sel kita

Sebuah teknologi berdasarkan kecerdasan buatan mengungkapkan komponen sel yang sebelumnya tidak diketahui yang dapat memberikan petunjuk baru tentang perkembangan dan penyakit manusia.

Sebagian besar penyakit manusia dapat ditelusuri kembali ke bagian sel yang rusak – tumor dapat tumbuh karena gen belum diterjemahkan secara akurat ke dalam protein tertentu, atau penyakit metabolik berkembang karena mitokondria tidak menyala dengan benar. Namun, untuk memahami bagian sel mana yang dapat menyebabkan penyakit, para ilmuwan pertama-tama membutuhkan daftar lengkap bagian-bagian tersebut.

Dengan menggabungkan mikroskop, teknik biokimia, dan kecerdasan buatan, para peneliti di Fakultas Kedokteran Universitas California San Diego dan staf mereka telah membuat kemajuan signifikan dalam memahami sel manusia.

Teknologi yang dikenal dengan Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC) ini akan diluncurkan pada 24 November 2021 mendatang. dijelaskan alam.

“Ketika Anda membayangkan sebuah sel, Anda mungkin membayangkan diagram warna-warni dalam buku teks biologi sel Anda, dengan mitokondria, retikulum endoplasma, dan nukleus. Tapi apakah itu keseluruhan cerita? Jelas tidak,” kata Trey Ideker, PhD, profesor di UC San Diego School of Medicine dan Moores Cancer Center. “Para ilmuwan telah lama menyadari bahwa kita tidak tahu lebih banyak daripada yang kita ketahui, tetapi sekarang kita akhirnya memiliki cara untuk melihat lebih dalam.”

Ideker memimpin penelitian bersama Emma Lundberg, PhD, dari KTH Royal Institute of Technology di Stockholm, Swedia, dan Universitas Stanford.

Kiri: Diagram sel klasik dari buku teks menyiratkan bahwa semua bagian terlihat dan terdefinisi dengan jelas. (Sumber: OpenStax / Wikimedia). Kanan: Peta sel baru yang dihasilkan dengan teknologi MuSIC menunjukkan banyak komponen baru. Node emas mewakili komponen sel yang diketahui, node ungu mewakili komponen baru. Ukuran simpul mencerminkan jumlah protein yang berbeda dalam komponen itu. Kredit foto: Ilmu Kesehatan UC San Diego

Dalam studi percontohan, MuSIC menunjukkan sekitar 70 komponen yang terkandung dalam garis sel ginjal manusia, setengahnya belum pernah terlihat sebelumnya. Dalam satu contoh, para peneliti menemukan sekelompok protein yang membentuk struktur yang tidak diketahui. Bekerja dengan rekan Gene Yeo, PhD dari UC San Diego, mereka akhirnya menemukan bahwa strukturnya adalah kompleks protein baru yang mengikat RNA. Kompleks ini kemungkinan terlibat dalam penyambungan, peristiwa seluler utama yang memungkinkan gen untuk diterjemahkan menjadi protein dan membantu menentukan gen mana yang diaktifkan pada jam berapa.

Bagian dalam sel – dan banyak protein yang ditemukan di sana – biasanya diperiksa menggunakan salah satu dari dua teknik: pencitraan mikroskopis atau asosiasi biofisik. Dalam pencitraan, peneliti menambahkan label fluoresen dari berbagai warna ke protein yang diinginkan dan melacak pergerakan dan asosiasinya di seluruh bidang pandang mikroskop. Untuk mempelajari asosiasi biofisik, peneliti dapat menggunakan antibodi khusus untuk protein untuk menariknya keluar dari sel dan melihat apa lagi yang melekat padanya.

Tim telah tertarik untuk memetakan cara kerja sel selama bertahun-tahun. Perbedaan dengan MuSIC adalah penggunaan pembelajaran mendalam untuk memetakan sel langsung dari gambar mikroskop seluler.

“Kombinasi teknologi ini unik dan kuat karena ini adalah pertama kalinya pengukuran pada skala yang sangat berbeda disatukan,” kata Yue Qin, penulis pertama studi tersebut, seorang mahasiswa PhD di bidang bioinformatika dan biologi sistem di laboratorium Ideker.

Mikroskop memungkinkan para ilmuwan untuk melihat ke tingkat mikrometer tunggal, seukuran beberapa organel, seperti mitokondria. Elemen yang lebih kecil, seperti protein individu dan kompleks protein, tidak dapat dilihat melalui mikroskop. Teknik biokimia dimulai dengan protein tunggal memungkinkan para ilmuwan untuk turun ke skala nanometer. (Satu nanometer adalah sepersejuta meter, atau 1.000 mikrometer.)

“Tapi bagaimana Anda menjembatani kesenjangan ini dari nanometer ke kisaran mikrometer? Ini telah lama menjadi rintangan utama dalam ilmu kehidupan, ”kata Ideker, yang juga pendiri UC Cancer Cell Map Initiative dan UC San Diego Center for Computational Biology and Bioinformatics. “Ditemukan bahwa Anda dapat melakukan ini dengan kecerdasan buatan – dengan melihat data dari berbagai sumber dan meminta sistem untuk menggabungkannya ke dalam model sel.”

Tim melatih platform kecerdasan buatan MuSIC untuk melihat semua data dan membuat model sel. Sistem belum menetapkan konten sel ke lokasi tertentu, mis. Diagram buku teks, sebagian karena lokasinya belum tentu tetap. Sebaliknya, posisi komponen bersifat cair dan berubah tergantung pada jenis dan situasi sel.

Ideker mencatat bahwa ini adalah studi percontohan yang menguji MuSIC. Anda hanya melihat 661 protein dan satu jenis sel.

“Langkah selanjutnya yang jelas adalah meledakkan seluruh sel manusia,” kata Ideker, “dan kemudian beralih ke jenis sel, manusia, dan spesies yang berbeda. Bagaimanapun, kita dapat lebih memahami dasar molekuler dari banyak penyakit dengan membandingkan perbedaan antara sel yang sehat dan yang sakit.”

Referensi: “Peta multi-skala struktur sel yang menggabungkan gambar dan interaksi protein” oleh 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 and Trey Ideker, 24 November 2021, alam.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04115-9

Rekan penulis adalah: 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, Sekolah Kedokteran Harvard; Casper F. Winsnes, Anna Bäckström, Wei Ouyang, Institut Teknologi Kerajaan KTH; Ludivine Wacheul, Denis LJ Lafontaine, Université Libre de Bruxelles; dan Jianzhu Ma, Universitas Beijing.

Pendanaan untuk penelitian ini sebagian berasal dari National Institutes of Health (Grants U54CA209891, U01MH115747, F99CA264422, P41GM103504, R01HG009979, U24HG006673, U41HG009889, R01HL137223, R01HG004659, R50CA-P2420ernuts Foundation, Yayasan Googlen-05327) Fonds de la Recherche Scientifique, Université Libre de Bruxelles, Program Gabungan Eropa untuk Penyakit Langka, Région Wallonne, Internationale Brachet Foundation, dan tindakan Epitran COST (hibah CA16120).

Pengungkapan: Trey Ideker adalah salah satu pendiri, di Dewan Penasihat Ilmiah, dan memiliki kepentingan ekuitas di Data4Cure, Inc. Ideker juga berada di Dewan Penasihat Ilmiah, memiliki kepentingan ekuitas di Ideaya BioSciences, Inc., dan menerima penelitian yang disponsori pendanaan dari Ideaya BioSciences, Inc. Gene Yeo adalah salah satu pendiri , Anggota Dewan Direksi, Dewan Penasihat Ilmiah, Pemegang Saham dan penasihat berbayar untuk Locanabio dan Eclipse BioInnovations. Yeo juga seorang profesor tamu di Universitas Nasional Singapura. Persyaratan perjanjian ini telah ditinjau dan disetujui oleh University of California San Diego sesuai dengan pedoman konflik kepentingannya. Emma Lundberg adalah anggota dewan penasihat ilmiah dari Cartography Biosciences, Nautilus Biotechnology dan Interline Therapeutics dan memegang saham di dalamnya. J. Wade Harper adalah salah satu pendiri, di Dewan Penasihat Ilmiah dan memiliki minat dalam Caraway Therapeutics. Harper juga merupakan penasihat akademik pendiri Interline Therapeutics.