Машинное обучение предсказывает метаболизм, помогая разработчикам лекарств и пивоварам
Учёные из Института Фрэнсиса Крика разработали алгоритмы машинного обучения, способные предсказывать метаболизм дрожжей на основе их белкового состава. Эти результаты могут стать основой для более точного контроля пивоварами вкуса своего пива, а в будущем — для персонализации лечения пациентов с метаболическими расстройствами.
Метаболизм — это процесс, посредством которого организмы превращают питательные вещества в энергию и необходимые молекулы через серию химических реакций. Когда дрожжи метаболизируют сахар в отсутствие кислорода, происходит «брожение» с образованием спирта, кислот и газов, включая вкусовые соединения, которые придают хлебу, вину и пиву приятный вкус.
Внутри клетки метаболизм производит сотни небольших молекул, называемых метаболитами. Хотя дрожжи эволюционно очень далеки от человека, многие из этих метаболитов идентичны и производятся сходным образом. Однако до сих пор механизмы, контролирующие метаболизм, не были полностью поняты.
Новое исследование, опубликованное в Cell Systems, показывает, что метаболизм пивоваренных дрожжей (S. cerevisiae) в значительной степени предсказуем алгоритмами машинного обучения, если им предоставить большой объём информации об экспрессии белков.
Связь белков и метаболитов
До сих пор учёные расходились во мнениях, является ли метаболизм саморегулирующимся или контролируется изменениями экспрессии генов; отчасти потому, что существующие методы не смогли обнаружить сильной корреляции между продуктом генов — белками — и метаболитами.
В этом исследовании учёные количественно оценили экспрессию ферментов в 97 различных штаммах S. cerevisiae, известных различиями в метаболизме, и связали её с изменениями измеренных концентраций метаболитов.
Они разработали алгоритмы машинного обучения, способные выявлять сложные взаимосвязи между изменениями экспрессии генов и производимыми метаболитами. Они обнаружили, что метаболизм контролируется множеством ферментов, действующих согласованно, — ни один фермент сам по себе не оказывает решающего влияния.
«Взаимосвязь между экспрессией ферментов и метаболизмом у дрожжей настолько сложна, что предыдущие модели не смогли её обнаружить», — говорит старший автор статьи Маркус Ральзер.
От пива к персонализированной медицине
Команда надеется перенести свои выводы, полученные на дрожжевых клетках, в клинику в ближайшие годы, чтобы помочь пациентам с метаболическими заболеваниями.
«Мы в настоящее время расширяем наши алгоритмы, чтобы они также предоставляли нам информацию о метаболизме человека на основе белков, присутствующих в его крови. Эта информация может помочь врачам решить, какой вариант лечения является наилучшим для конкретного пациента», — говорит первый автор статьи Алексей Зелезняк.