Bonsai software ilustrează date biologice complexe sub formă de arbori ramificați
Cercetarea modernă în biologie poate genera acum date valoroase la o scară fără precedent.
Cu toate acestea, un obstacol major rămâne: înțelegerea acestor seturi de date complexe și de înaltă dimensiune. O echipă de la Universitatea din Basel, Elveția, a dezvoltat un nou instrument care poate oferi imagini precise ale structurilor ascunse în cadrul acestor seturi de date extrem de complexe. Ajutând oamenii de știință să descopere tipare ascunse în date, software-ul va contribui la realizarea de noi descoperiri științifice.
Peste un deceniu, biologia a intrat în era „big data”. Tehnologiile moderne de înaltă capacitate generează seturi de date vaste care surprind identitățile și caracteristicile multidimensionale ale celulelor. De exemplu, prin secvențierea ARN-ului la nivel unicelular, cercetătorii pot măsura activitatea a zeci de mii de gene în sute de mii sau chiar milioane de celule individuale. Seturi de date de mari dimensiuni sunt acum produse în multe domenii ale biologiei, de la genetică și cercetarea cancerului până la neuroștiință.
Aceste date promit să ofere noi perspective fundamentale asupra modului în care celulele se dezvoltă, comunică și se schimbă în timpul bolii. Totuși, analizarea și interpretarea unor seturi de date atât de complexe rămâne o provocare majoră cu care cercetătorii se confruntă. „Oamenii sunt buni la recunoașterea tiparelor în două sau trei dimensiuni”, afirmă Erik van Nimwegen. „Dar pur și simplu nu putem crea o imagine a unui set de date care există în 10.000 de dimensiuni și ne lipsește intuiția cu privire la ce fel de structuri pot exista în astfel de spații de înaltă dimensiune.”
În revista Nature Biotechnology, cercetătorii prezintă software-ul lor recent dezvoltat, „Bonsai”, care vizualizează date de înaltă dimensiune sub forma unui copac. Această vizualizare oferă o imagine fidelă a structurii din date, inclusiv modul în care celulele sunt legate între ele și cum ar fi putut să se dezvolte din celule precursor.
Un copac în loc de o hartă plată
Cele mai populare instrumente forțează datele cu mii de dimensiuni într-o hartă bidimensională. Deși aceste metode sunt utilizate în practic toate studiile, cercetătorii recunosc că astfel de imagini distorsionează inevitabil datele, făcând imposibilă stabilirea dacă relațiile afișate între celule sunt reale sau artefacte create prin constrângerea datelor într-o vizualizare bidimensională. Bonsai depășește această problemă.
În loc să creeze o hartă plată, instrumentul nostru construiește un copac ramificat, cu celulele individuale la frunzele ramurilor. Distanțele de-a lungul ramurilor reflectă cu precizie cât de apropiate sunt celulele în spațiul de înaltă dimensiune.” Echipa a testat software-ul atât pe seturi de date simulate, cât și reale de secvențiere a ARN-ului la nivel unicelular. Comparativ cu metodele existente, Bonsai reconstruiește căile de dezvoltare mult mai precis, păstrează relațiile adevărate între celule și identifică celule similare mult mai fiabil.
Atunci când cercetătorii au analizat celulele sanguine umane, Bonsai nu numai că a recuperat automat relațiile cunoscute între diferitele tipuri de celule sanguine, dar a descoperit și un nou subtip de celule imune, cunoscute sub numele de celule natural killer (NK). Semnătura moleculară a acestui nou subtip de celule NK a dezvăluit că acestea provin dintr-o linie (numită linia mieloidă) diferită de așa-numita linie limfoidă din care se credea că derivă toate celulele NK.
„Acest exemplu arată de ce reprezentarea și vizualizarea fidelă a datelor complexe sunt importante”, afirmă van Nimwegen. „Când poți avea încredere în imagine, ai mult mai multe șanse să faci noi descoperiri.”
Deoarece Bonsai poate fi aplicat la orice tip de date de înaltă dimensiune, inclusiv nu doar date privind expresia genelor și starea cromatinei, ci și date medicale, date din microbiologie (de exemplu, compoziția speciilor) sau date din neuroștiință (de exemplu, tiparele de activitate neuronală), cercetătorii cred că Bonsai poate fi un instrument valoros pentru oamenii de știință din întreaga știință a vieții.
