RAPORT

Wojna na Ukrainie

Zobaczyć komórkę w nowym świetle

Sztuczna inteligencja analizuje beznamiętnie to, co widzi na zdjęciach (fot. Shutterstock/Konstantin Kolosov)
Sztuczna inteligencja analizuje beznamiętnie to, co widzi na zdjęciach (fot. Shutterstock/Konstantin Kolosov)

Kiedy w latach 1838-39 uczeni formułowali przekonanie, że organizmy żywe zbudowane są z komórek i to komórka jest jedyną formą, w której życie istnieje i się propaguje, widzieli w swych mikroskopach ścianę komórkową, ewentualnie błonę komórkową i jądro komórkowe. Reszta była „sokiem komórkowym”. Kolejne dekady rozwoju mikroskopii pozwoliły odkryć około 30 struktur, które nazywamy organellami komórki, o, powiedzmy, 10 z nich uczymy się w szkole, uznając za ważne. Nieco ponad 180 lat później zespół naukowców z Kalifornii i Szwecji oraz sztuczna inteligencja odkrywają kolejne 35 nieznanych nam dotąd struktur wewnątrz komórki. Głównie dlatego, że sztuczna inteligencja analizuje beznamiętnie to, co widzi na zdjęciach, a nie to, co według niej ważne.

Nawet kleszcz się może przydać medycynie

Krzepnięcie krwi to tak ważny dla zdrowia i życia proces, że poświęcono mu osobną naukę – koagulologię. Badacze z tej dziedziny znaleźli w...

zobacz więcej

Pandemia ma swoje dobre strony. Uczeni nie mogli częstokroć pracować eksperymentalnie, laboratoria były zamknięte albo pracowały 24/7 na zmiany, aby uczeni nie stykali się ze sobą. Pracować jednak trzeba, zwłaszcza gdy się lubi albo ma się doktorat na karku.

Pojawiła się zatem przestrzeń nie na gromadzenie nowych danych, ale budowanie instrumentów in silico (informatycznych) służących analizie i metaanalizie danych zgromadzonych do tej pory. Trochę to bowiem było tak w naukach przyrodniczych, że zbierano mnóstwo danych, te „bardziej soczyste” na pierwszy rzut oka analizowano dla celów publikacji, a ten cały – znów na pierwszy rzut oka – „stochastyczny szum informacyjny” siedział sobie na twardych dyskach w formie tabel i zdjęć.

Czekając na czas, gdy ludzie nie będą masowo gromadzić nowych i jeszcze nowszych danych, tylko wreszcie na spokojnie, czasem w domu siedząc w przysłowiowych w kapciach, zanalizują dane już zgromadzone. Stąd wysyp ostatnio doniesień naukowych wynikłych z bardzo szczegółowych analiz wielu genomów naraz (np. odkryto zmiany genetyczne, dzięki którym wszystkie wielkie małpy i człowiek nie mają ogona, czy czworonogi mają po przodkach cztery kończyny, a nie sześć czy dwie). Doszukujemy się zatem w terabajtach zgromadzonych sekwencji czy obrazów – często za pomocą specjalnych algorytmów sztucznych inteligencji – co najmniej przesłanek, aby postawić świeżą hipotezę i przetestować ją eksperymentalnie lub zbudować narzędzie pozwalające na jeszcze szerszą analizę.

Żywy „atrament” do drukarki 3D

W 1828 roku Friedrich Wöhler zsyntetyzował mocznik przez ogrzewanie cyjanu amonu. Czyli związek jak najbardziej organiczny i znajdowany wyłącznie w...

zobacz więcej

Teoria komórkowa sformułowana owe ponad 180 lat temu osobno dla roślin przez Matthiasa Jacoba Schleidena, a następnie dla zwierząt przez Theodora Schwanna była kamieniem milowym rodzącej się wówczas biologii. Ustalono nie tylko, że organizmy żywe składają się z komórek, ale też że każda komórka pochodzi z komórki (nie powstaje de nowo ze związków chemicznych) oraz że wszelkie procesy organizmów, jak wzrost, rozmnażanie czy metabolizm dają się sprowadzić do zjawisk dziejących się w komórkach i dzięki nim.

Aby przeprowadzać procesy, trzeba mieć stosowne do tego struktury. O wielu z nich uczono nas w szkole: jądro komórkowe, chloroplast, mitochondrium, aparat Golgiego, siateczka (czy retikulum) endoplazmatyczna, lizosom, wodniczka/wakuola, centriola/wrzeciono podziałowe, mikrofilamenty i mikrotubule, rybosomy… Na ogół więcej nie musieliśmy wiedzieć, dochodząc do matury. Rysowaliśmy z zapałem komórki, umieszczając we w miarę prawidłowej skali i opisując owe organelle komórkowe, pamiętając że komórka eukariotyczna ma od 10 do 100 mikronów (mikron jedna milionowa metra), zatem owe „ultrastruktury komórkowe” musza być naprawdę malutkie, żeby się tam pomieścić.

Dziś spory zespół badawczy z University of California San Diego School of Medicine i KTH Royal Institute of Technology w Sztokholmie, pod kierunkiem Treya Idekera i Emmy Lundberg, opracowało zintegrowany system informatyczny nazwany MuSIC 1.0. Łączy on kompleksy białkowe, które widać pod mikroskopem fluorescencyjnym jako funkcjonalne struktury wewnątrzkomórkowe (z tzw. Atlasu białek ludzkich) z interakcjami białek komórkowych.

Nieskuteczne antybiotyki i półżywe uparte bakterie

18 listopada obchodziliśmy Europejski Dzień Wiedzy o Antybiotykach. Minął niemal bez echa w mediach zajętych pandemią kronawirusa, ewidentnie...

zobacz więcej

Tym razem potwierdzonymi eksperymentalnie na platformie BioPlex, gromadzącej dane z biochemicznych powinowactw białek (czyli które białko wiąże się z którym eksperymentalnie, w warunkach poza komórką). Choć brzmi to drętwo, osiągnięcie jest gigantyczne, i jak nic innego w tym roku (skoro grudzień, pokuszę się o taką prognozę) może wpłynąć na przyszły rozwój medycyny i nauk biologicznych.

Nie dziwne, że taki przełomowy instrument badawczy – udostępniony na Githubie w formie algorytmu dla wszystkich chętnych go używać – został doceniony publikacją w prestiżowym tygodniku naukowym „Nature”. Jak tłumaczą sami autorzy: „Komórka jest wieloskalową strukturą o modułowej organizacji na co najmniej cztery rzędy wielkości (między rozmiarem komórki a rozmiarem jej najmniejszych znanych nam funkcjonalnych struktur istnieje różnica wielkości jak 10 tys. do 1 – przyp MK-S). Dwa główne podejścia do mapowania tej struktury — obrazowanie fluorescencyjne białek i asocjacja biofizyczna białek — każde z nich generuje obszerne zestawy danych, ale o różnych właściwościach i rozdzielczościach, które zazwyczaj traktuje się oddzielnie. W tym miejscu integrujemy obrazy immunofluorescencyjne w Atlasie białek ludzkich z oczyszczaniem powinowactwa w BioPlex, aby stworzyć ujednoliconą hierarchiczną mapę architektury komórek ludzkich.”

Powstała – dosłownie – trójwymiarowa mapa komórki. Mapa, zwana „wieloskalową zintegrowaną komórką” (ang. Multi-Scale Integrated Cel, czyli MuSIC 1.0), znajduje w komórce ludzkiej 69 systemów subkomórkowych, z których około połowa do tej pory ani nigdy nie była opisana, ani nawet zauważona. Poprzez integrację w różnych skalach, MuSIC zwiększa rozdzielczość obrazowania, jednocześnie nadając interakcjom białkowym wymiar przestrzenny, torując drogę do włączenia różnych typów danych do map komórkowych obejmujących wszystkie białka komórkowe i ich interakcje.

W największych głębiach skorupy ziemskiej życie płynie ekstremalnie

Geologia czy mikropaleontologia to przeciekawe nauki z pogranicza wielu innych nauk: fizyki, biologii, chemii, klimatologii. Wiele hipotez czasem...

zobacz więcej

Gdy oglądamy wnętrze komórki pod mikroskopem fluorescencyjnym, jesteśmy zdolni zobaczyć obiekty 0,1-1 mikrometrowe, np. aparat Golgiego czy mitochondrium no i oczywiście jądro. Wtedy jednak nie oglądamy bezpośrednio realnie działających jako ultrastruktury kompleksów białkowych, bo one są w skali nano, czyli jeszcze tysiąc razy mniejszej. Można wyznakowanymi fluorescencyjnie przeciwciałami wykryć w danym miejscu komórki jakieś białko, a innym przeciwciałem wyznakowanym innym barwnikiem – inne.

Jeśli oba sygnały będą się na siebie nakładać, podejrzewamy interakcję – ale de facto jej nie widzimy. Po to trzeba zrobić te biochemiczne doświadczenia, ale do nas mówią w zupełnie innej skali.

Teraz maszyna nauczyła się analizować te dwie różne skale równocześnie i pokazywać te interakcje na trójwymiarowym obrazie, który nasz mózg potrafi zrozumieć, bo go widzi. I to właśnie „ucząca się maszyna” (czyli komputer ze specjalnym oprogramowaniem) pozwala się nam nauczyć widzieć te rzeczywistość, w której w komórce funkcjonują realne struktury w formie kompleksów białek, rozmiaru nanometrów. Kompleksy takie to źródło naszego zdrowia i choroby.

Twoje INFO - kontakt z TVP INFO
To właśnie w nich dzieje się tak wzrost, jak rozmnażanie i metabolizm. To one przekazują bowiem sygnały w komórce i na zewnątrz oraz odbierają sygnały ze środowiska, syntetyzują struktury, takie jak rybosomy, aparat Golgiego czy wrzeciono podziałowe. Dzięki nim komórka może wytwarzać i wysyłać z komórki białka albo się podzielić na potomne komórki etc. To one, jak się okazuje dzięki badaniom wykonanym z użyciem MuSIC1.0, tworzą nieznany dotąd nauce kompleks białek wiążących RNA, które umożliwiają powstawanie białek (tzw. translację genów) i pomagają określić moment, w którym dane geny powinny być aktywowane.

Takie historie budzą zachwyt, bo istotnie w interdyscyplinarnych zespołach zajmujących się problemami stricte biologicznymi czy medycznymi bez informatyków, specjalistów od big data i uczenia maszynowego już ani rusz. Z drugiej strony…. Skoro one zaczynają nas uczyć, jak świat wygląda naprawdę i czego nie umieliśmy dostrzec, to gdzie to się skończy?

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej