Os pesquisadores da UC San Diego apresentam Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC), uma técnica que combina microscopia, bioquímica e inteligência artificial para revelar componentes celulares até então desconhecidos que podem fornecer novas pistas sobre o desenvolvimento humano e doenças. (Representação conceitual do artista.) Crédito da foto: UC San Diego Health Sciences
Uma tecnologia baseada em inteligência artificial revela componentes celulares até então desconhecidos que poderiam fornecer novas pistas sobre o desenvolvimento humano e as doenças.
A maioria das doenças humanas pode ser rastreada até partes defeituosas de uma célula – um tumor pode crescer porque um gene não foi traduzido com precisão em uma proteína específica, ou uma doença metabólica se desenvolve porque as mitocôndrias não disparam corretamente. No entanto, para entender quais partes de uma célula podem dar errado com a doença, os cientistas precisam primeiro de uma lista completa das partes.
Ao combinar microscopia, técnicas bioquímicas e inteligência artificial, os pesquisadores da Escola de Medicina da Universidade da Califórnia em San Diego e sua equipe fizeram avanços significativos na compreensão das células humanas.
A tecnologia conhecida como Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC) será lançada em 24 de novembro de 2021 em. descrito natureza.
“Quando você imagina uma célula, provavelmente está imaginando o diagrama colorido em seu livro de biologia celular, com mitocôndrias, retículo endoplasmático e núcleo. Mas essa é toda a história? Definitivamente não “, disse Trey Ideker, PhD, professor da UC San Diego School of Medicine e do Moores Cancer Center. “Os cientistas reconheceram há muito tempo que não sabemos mais do que sabemos, mas agora finalmente temos uma maneira de olhar mais profundamente.”
Ideker co-liderou o estudo com Emma Lundberg, PhD, do KTH Royal Institute of Technology em Estocolmo, Suécia, e da Universidade de Stanford.
Esquerda: diagramas de células clássicos de livros didáticos implicam que todas as partes são claramente visíveis e definidas. (Fonte: OpenStax / Wikimedia). À direita: um novo mapa de células gerado com a tecnologia MuSIC mostra muitos componentes novos. Os nós dourados representam os componentes da célula conhecidos, os nós roxos representam os novos componentes. O tamanho do nó reflete o número de proteínas diferentes naquele componente. Crédito da foto: UC San Diego Health Sciences
No estudo piloto, o MuSIC mostrou cerca de 70 componentes contidos em uma linha celular de rim humano, metade dos quais nunca haviam sido vistos antes. Em um exemplo, os pesquisadores descobriram um grupo de proteínas que constituem uma estrutura desconhecida. Trabalhando com o colega Gene Yeo, PhD da UC San Diego, eles finalmente descobriram que a estrutura é um novo complexo de proteínas que se liga RNA. O complexo provavelmente está envolvido no splicing, um importante evento celular que permite que os genes se traduzam em proteínas e ajuda a determinar quais genes são ativados em que momentos.
O interior das células – e as muitas proteínas lá encontradas – são normalmente examinados usando uma de duas técnicas: imagem microscópica ou associação biofísica. Na imagem, os pesquisadores adicionam rótulos fluorescentes de várias cores às proteínas de interesse e rastreiam seus movimentos e associações através do campo de visão do microscópio. Para estudar associações biofísicas, os pesquisadores poderiam usar um anticorpo específico para uma proteína para retirá-la da célula e ver o que mais está ligado a ela.
A equipe está interessada em mapear o funcionamento interno das células há muitos anos. A diferença para MuSIC é o uso de aprendizado profundo para mapear a célula diretamente a partir de imagens de microscopia celular.
“A combinação dessas tecnologias é única e poderosa porque é a primeira vez que medições em escalas muito diferentes foram reunidas”, disse Yue Qin, primeiro autor do estudo, um aluno de doutorado em bioinformática e biologia de sistemas no laboratório de Ideker.
Os microscópios permitem que os cientistas vejam até o nível de um único micrômetro, o tamanho de algumas organelas, como as mitocôndrias. Elementos menores, como proteínas individuais e complexos de proteínas, não podem ser vistos através de um microscópio. As técnicas bioquímicas que começam com uma única proteína permitem que os cientistas cheguem à escala nanométrica. (Um nanômetro é um bilionésimo de um metro, ou 1.000 micrômetros.)
“Mas como você preenche essa lacuna do intervalo do nanômetro para o micrômetro? Este tem sido um grande obstáculo nas ciências da vida ”, disse Ideker, que também é o fundador da UC Cancer Cell Map Initiative e do Centro de Biologia Computacional e Bioinformática da UC San Diego. “Ele descobriu que você pode fazer isso com inteligência artificial – observando dados de várias fontes e pedindo ao sistema para colocá-los juntos em um modelo de célula.”
A equipe treinou a plataforma de inteligência artificial MuSIC para olhar todos os dados e criar um modelo da célula. O sistema ainda não atribui o conteúdo da célula a locais específicos, por ex. Um diagrama de livro didático, em parte porque suas localizações não são necessariamente fixas. Em vez disso, as posições dos componentes são fluidas e mudam dependendo do tipo de célula e da situação.
Ideker observou que este foi um estudo piloto testando MuSIC. Você olhou apenas 661 proteínas e um tipo de célula.
“O próximo passo claro é soprar por toda a célula humana”, disse Ideker, “e então mudar para diferentes tipos de células, pessoas e espécies. Afinal, poderíamos entender melhor a base molecular de muitas doenças comparando as diferenças entre células saudáveis e doentes. “
Referência: “Um mapa multi-escala da estrutura celular que funde imagens e interações de proteínas” por 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 e Trey Ideker, 24 de novembro de 2021, natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04115-9
Os co-autores são: 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, KTH Royal Institute of Technology; Ludivine Wacheul, Denis LJ Lafontaine, Université Libre de Bruxelles; e Jianzhu Ma, Universidade de Pequim.
O financiamento para esta pesquisa foi em parte do National Institutes of Health (Grants U54CA209891, U01MH115747, F99CA264422, P41GM103504, R01HG009979, U24HG006673, U41HG009889, R01HL137223, R01HG004659 Fundação do Conselho de Pesquisa da Bélgica, R01HG004659, R01HG00CA52017250CA, R01HG00CA52017, R01HG00CA do Conselho de Pesquisa da Bélgica, U41HG009889). Fonds de la Recherche Scientifique, Université Libre de Bruxelles, Programa Conjunto Europeu sobre Doenças Raras, Région Wallonne, Fundação Internationale Brachet e ação Epitran COST (bolsa CA16120).
Divulgação: Trey Ideker é cofundador do Conselho Consultivo Científico e tem participação acionária na Data4Cure, Inc. Ideker também faz parte do Conselho Consultivo Científico, possui participação acionária na Ideaya BioSciences, Inc. e recebe pesquisas patrocinadas financiamento da Ideaya BioSciences, Inc. Gene Yeo é cofundador, membro do Conselho de Administração, Conselho Consultivo Científico, Acionista e consultor pago da Locanabio e Eclipse BioInnovations. Yeo também é professor visitante na Universidade Nacional de Cingapura. Os termos desses contratos foram analisados e aprovados pela University of California San Diego de acordo com suas diretrizes de conflito de interesses. Emma Lundberg é membro dos conselhos consultivos científicos da Cartography Biosciences, Nautilus Biotechnology e Interline Therapeutics e detém participações nos mesmos. J. Wade Harper é cofundador do Scientific Advisory Board e tem interesse na Caraway Therapeutics. Harper também é conselheiro acadêmico fundador da Interline Therapeutics.