Allen Integrated Cell: первая 3D-модель живой человеческой клетки
Институт Аллена по клеточной науке представил первую предсказательную и всеобъемлющую 3D-модель живой человеческой клетки — Allen Integrated Cell. Модель позволяет исследователям одновременно видеть множество структур внутри живой клетки, создавая базис для понимания клеток и изучения моделей человеческих болезней.
Новый способ визуализации
"Это новый способ заглянуть внутрь живых человеческих клеток, — говорит Рик Хорвиц, исполнительный директор Института. — Это как увидеть целую клетку впервые. В будущем это повлияет на открытие лекарств, исследования болезней и на то, как мы строим фундаментальные исследования с человеческими клетками".
От ментальных моделей к данным
"Почти у каждого биолога есть ментальные модели целых клеток, собранные за карьеру из десятков различных типов данных, — объясняет Грэм Джонсон, директор проекта Animated Cell. — Allen Integrated Cell предлагает новый вариант, где 3D-визуализации целых живых клеток связаны с инструментами анализа для более прямого исследования, основанного на данных, и генерации гипотез".
Как создавалась модель
Модель обобщает большую коллекцию живых человеческих клеток, отредактированных учёными Института для включения флуоресцентных белковых меток. Эти метки подсвечивают специфические структуры внутри клеток, такие как ядро и митохондрии. Учёные сделали снимки десятков тысяч этих светящихся клеток и использовали искусственный интеллект для их изучения.
- Прогностическая модель: Исследователи разработали компьютерный алгоритм, который изучил форму плазматической мембраны, ядра и других флуоресцентно меченых структур, чтобы понять их пространственные взаимосвязи. В результате обучения появилась мощная вероятностная модель, которая точно предсказывает наиболее вероятную форму и расположение структур в любой клетке, основываясь только на форме плазматической мембраны и ядра.
- Модель без меток: Затем исследователи применили другой алгоритм машинного обучения к изображениям тех же меченых клеток. Этот алгоритм использовал полученные знания, чтобы находить клеточные структуры в клетках без флуоресцентных меток. Эта модель без меток может использоваться на относительно простых для получения изображениях светлопольной микроскопии, чтобы визуализировать множество структур внутри клеток одновременно и с высокой точностью. Изображения, сгенерированные этим методом, выглядят почти идентично фотографиям флуоресцентно меченых клеток.
Преимущества подхода
"Флуоресцентная микроскопия дорога и токсична для клеток, особенно при маркировке нескольких структур, — говорит Молли Мэлекер, директор по моделированию. — Наш подход позволяет учёным наблюдать за клетками и проводить эксперименты по стоимости светлопольной микроскопии, но с разрешающей способностью флуоресцентной микроскопии и без её токсичных эффектов".
Прорыв в биологии
"До сих пор наша способность видеть, что происходит внутри человеческих клеток, была очень ограничена, — отмечает Майкл Эловиц, профессор биологии, биоинженерии и прикладной физики Калифорнийского технологического института. — Раньше мы могли видеть только те белки, которые намеренно пометили. Но Allen Integrated Cell — это как бесплатный обед. Мы можем попробовать "буфет" из множества различных белков и органелл, вообще ничего не помечая. Это открывает совершенно новый и гораздо более мощный способ заниматься клеточной биологией".