Cercetătorii de la KAUST dezvoltă un instrument AI pentru a analiza evoluția celulară
O echipă condusă de cercetători de la KAUST a creat un instrument AI numit Unify, destinat să ajute oamenii de știință să compare tipuri de celule similare între specii îndepărtate.
Această comparație le permite cercetătorilor să evalueze care dintre descoperirile din studiile pe animale ar putea fi cele mai relevante pentru sănătatea umană.
Celulele din organisme precum oamenii, șoarecii, peștii, muștele sau viermii pot îndeplini funcții biologice similare, chiar și atunci când genele corespunzătoare acestor funcții s-au schimbat de-a lungul mileniilor.
Unify a reușit să conecteze 125 de tipuri de celule pe o perioadă de peste 700 de milioane de ani de evoluție.
Prin luarea în considerare a schimbărilor evolutive ale genelor, oamenii de știință pot determina ce descoperiri din studiile pe animale se aplică cercetărilor în domeniul sănătății umane.
De ce au dificultăți instrumentele genetice tradiționale în compararea speciilor îndepărtate?
Cercetătorii compară adesea celulele folosind secvențierea ARN-ului la nivel unic, care arată ce gene sunt active în fiecare celulă. Când aceste analize sunt efectuate asupra unui organism întreg, informațiile pot fi utilizate pentru a construi un „arbore celular”, care mapează diferitele tipuri de celule și activitatea acestora.
Cu toate acestea, majoritatea instrumentelor de comparare se bazează pe potriviri directe, gen cu gen. Aceste potriviri devin mai dificile pe măsură ce speciile se diversifică în timp, fapt ce poate duce la pierderea unor similarități biologice importante, cum ar fi cele între celulele imune din oameni și șoareci sau neuronii din pești și muște.
Cum poate AI să dezvăluie similarități între celule separate prin evoluție?
Pentru a depăși aceste limitări, Unify compară rolurile pe care le îndeplinesc genele. Spre deosebire de metodele convenționale, care se aseamănă cu dicționare ce caută traduceri cuvânt cu cuvânt, acest instrument caută semnificații biologice comune.
Unify utilizează modele AI care analizează secvențele proteinelor și descrierile științifice ale funcțiilor genelor. Genele cu anumite similarități sunt grupate în unități numite „macrogene”. Această abordare permite Unify să recunoască celulele care îndeplinesc funcții similare, chiar și atunci când genele lor individuale nu mai corespund.
Ce relații genetice ascunse a descoperit Unify?
Unify a reconstruit relațiile dintre 125 de tipuri de celule provenind din șapte specii, separate de mai bine de 700 de milioane de ani. A reușit să facă distincția între gene identice, gene similare care au evoluat pentru a îndeplini roluri noi și gene diferite care au evoluat independent pentru a realiza aceeași funcție.
Prin analizarea celulelor imune din mai multe specii, Unify a identificat tactici de apărare comune, care ar fi fost greu de detectat folosind metodele restricționate la comparații directe ale genelor. Într-un alt experiment, a prezis reacția celulelor sanguine umane la o anumită proteină de semnalizare imună, pe baza răspunsului celulelor imune din nodul limfatic al șoarecilor. În toate cazurile, predicțiile Unify au fost mai precise decât metodele existente.
Care sunt următorii pași în cartografierea evoluției celulare?
Echipa de la KAUST își propune acum să extindă Unify pentru a include informații despre reglarea genelor și poziționarea celulelor în țesuturi. Aceste adăugiri vor oferi cercetătorilor o imagine mai completă a principiilor biologice comune în întreaga viață, contribuind la noi progrese în cercetarea sănătății umane.
Prin combinarea cunoștințelor biologice cu AI, Unify poate identifica modele la o scară pe care cercetătorii ar dura mult mai mult timp să o descopere prin comparații gen cu gen. Impactul său este sintetizat de profesorul de științe marine Manuel Aranda de la KAUST: „Multe dintre lucrurile pe care le știm despre biologia umană provin din studiile asupra animalelor, cum ar fi șoarecii, dar nu este întotdeauna clar care descoperiri se aplică și oamenilor. Unify ne ajută să identificăm care descoperiri din organismele model sunt cele mai probabil relevante pentru umanitate, astfel încât cercetarea să poată fi concentrată acolo unde este cea mai utilă pentru înțelegerea sănătății și bolilor umane.”
