Расшифровка решений о клеточной судьбе с помощью методов одноклеточного анализа и математических моделей

Вычислительный биолог Мария Мирча в своей докторской диссертации исследовала, как эмбриональная стволовая клетка решает, стать ли ей клеткой сердца или почки. Она анализировала изменения внутри отдельных клеток.

«Клетка начинает свой путь, как ребёнок, который может стать кем угодно, — говорит Мирча. — Через обучение и выбор карьеры варианты сужаются, чтобы стать узким специалистом. Этот путь называется траекторией».

Белки как сотрудники в клетке

Именно белки в клетке влияют на ветвления этой траектории. «Белки — это как сотрудники в компании. У каждого своя работа. Внутри эмбриональной клетки — как в стартапе: ей приходится много менять свою структуру и "сотрудников", пока она не станет устоявшейся фирмой». Измерение каждого отдельного белка было бы идеальным способом понять изменения клетки, но это пока невозможно. Вместо этого Мирча изучала другой компонент: рибонуклеиновую кислоту, или РНК.

«ДНК содержит гены, несущие инструкции для создания белков. Эта информация передаётся от ДНК к РНК». РНК похожа на ДНК, но имеет одинарную, а не двойную спираль. Затем клетка считывает РНК, чтобы строить белки. «Поэтому изучение РНК также можно использовать для анализа изменений в клетке».

Мирча разработала вычислительный метод для идентификации типов клеток с использованием всех данных об РНК отдельной клетки. «Это большое улучшение по сравнению с предыдущими методами, которые рассматривали только внешний вид клетки или использовали небольшой набор белков».

Использование человеческих клеток для тестирования лекарств

Эта информация о специализации клеток полезна при создании так называемых органоидных моделей. Эти модели представляют собой смесь клеток, культивируемых в лаборатории, которые вместе имитируют реальный орган. В сотрудничестве с Медицинским центром Лейденского университета (LUMC) Мирча изучала органоидные модели сердца. Создание реалистичных органоидов имеет очевидное преимущество: «Они могут быть очень полезны для тестирования лекарств без вмешательства в организм человека или испытаний на животных».

Она добавляет, что в будущем это исследование также может быть использовано для персонализированной медицины: «Например, можно взять клетки кожи пациента и вернуть их обратно в клетку, обладающую свойствами стволовой. Затем их можно превратить в любой тип клеток. Эти клетки можно использовать для тестирования реакции пациента на определённые лекарства. Но мы ещё не совсем там».

Нейронные сети

Будучи одним из немногих теоретиков в экспериментальной группе, Мирча также хотела разработать математические модели, описывающие развитие стволовых клеток. Она поясняет: «Я хотела объединить вычислительную мощность нейронных сетей с механистическими моделями, которые описывают биофизические принципы изменений, происходящих в клетках. В результате получается нейронная сеть с физической информированностью, которая помогает нам понять взаимодействия между генами во время развития клетки».

Но что ей больше всего понравилось во время работы над диссертацией? «Взаимодействие с биологами. Как математик, я очень любила работать напрямую с биологами, чтобы узнать о стволовых клетках и "мокрой" лаборатории».

Мирча будет защищать свою диссертацию под названием «Расшифровка решений о клеточной судьбе с помощью методов одноклеточного анализа и математических моделей» 20 декабря.