Инженерные принципы помогут быстрее находить биомаркеры болезней
Исследователи из Мичиганского университета предлагают применять фундаментальные принципы теории управления и наблюдаемости, разработанные в 1960-х годах инженером Элмером Гилбертом, для изучения биологических процессов, изменяющихся во времени.
Концепции и их применение в биологии:
- Управляемость (Control theory) — как направить систему в нужное состояние. Пример: перепрограммирование клетки кожи в стволовую клетку с помощью фактора транскрипции.
- Наблюдаемость (Observability) — минимальный набор сигналов, указывающих на состояние системы. Применение этой теории помогает открывать биомаркеры.
Преимущество нового подхода:
Большинство существующих методов поиска биомаркеров ограничены одним типом данных. Алгоритмы команды Индики Раджапаксе и Джошуа Пикарда работают с разными данными и экспериментальными системами: транскриптомикой, структурой хроматина, нейровизуализацией и ЭЭГ.
Практические результаты:
Применив метод Dynamic Sensor Selection (DSS) к временным рядам транскриптомных данных (репрограммирование клеток, воздействие пестицидов, клеточный цикл), учёные:
- Определили биомаркеры для каждого момента времени.
- Показали, что этих сокращённых данных достаточно для представления полного поведения системы.
Значение и перспективы:
- Экономия ресурсов: Изучение всего генома дорого и долго. DSS позволяет анализировать подмножество данных и реконструировать картину целого.
- Оптимизация экспериментов: Концепция наблюдаемости помогает вовремя обнаружить отклонение от ожидаемого хода эксперимента и прекратить его, экономя средства.
- Ранняя диагностика: Выявление биомаркера, изменение которого связано с болезнью (например, раком), может позволить предотвратить её развитие.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.